Diagnoza tehnica a echipamentelor energetice

Diagnoza tehnica a echipamentelor energetice

Diagnoza tehnica este o metoda moderna de supraveghere (monitoring) a starii de buna functionare a echipamentelor si sistemelor tehnice, dezvoltata sub impulsul cerintelor aerospatiale si ale utilizarii energiei nucleare. Practicarea diagnozei tehnice presupune cuplarea, la sistemul tehnologic vizat, a unui subsistem informatic de urmarire si control care, pe baza parametrilor prelevati si evaluati, evidentiaza iminenta aparitie a defectelor si recomanda aplicarea procedurilor de mentenanta. Genul de mentenanta practicat in urma diagnozei, poate fi caracterizata ca 'predictiva si la obiect', in sensul ca este fixata ca moment si ca element din cadrul sistemului diagnosticat. Implementarea subsistemului de diagnoza tehnica, cu referire la un sistem dat, are urmatoarele efecte:

cresterea cheltuielilor de investitii, pe ansamblu;

reducerea intervalelor de defectare si minimizarea timpilor de mentenanta corectiva, pe durata de analiza (T_A

suprimarea lucrarilor de mentenanta preventiva programata si aplicarea politicii de mentenanta 'predictiva la obiect';

minimizarea, pe ansamblu (T_A), a duratei lucrarilor de mentenanta;

favorizeaza cresterea duratei de viata a sistemului;

gradul de automatizare si informatizare (tehnicitatea) al ansamblului creste;

se modifica structura (T_A) pentru analiza indicatorilor de fiabilitate ai sistemului;

indicatorii de fiabilitate operationala ai sistemului se amelioreaza.

Evident, efectele aplicarii subsistemului de diagnoza tehnica au si componente contradictorii. In consecinta, decizia privind adoptarea acestuia, pentru un sistem dat, va fi

precedata de aplicarea unui criteriu de optimizare (minimizarea costurilor, maximizarea securitatii sau disponibilitatii, etc.).

In domeniul energetic, diagnoza tehnica se practica, indeosebi, la grupurile generatoare din CE, ceea ce justifica prezentarea catorva aspecte legate de aceasta valenta de perspectiva a mentenantei, in acest cadru.

1. Diagnoza tehnica ca etapa esentiala a mentenantei

Detectarea operativa a modificarilor in starea de buna functionare a unor echipamente necesita: cunoasterea modelelor matematice ale defectarilor, senzori aplicati pe echipamentele respective, care sa sesizeze malfunctiunile, aparatura de prelucrare si evidentiere a rezultatelor testelor, personal de calificare adecvata.

Pentru un echipament, la care se are in vedere implementarea subsistemului de diagnoza tehnica, se impune elaborarea procedurilor de diagnostic. Procedurile de diagnostic indica: secvente de teste, logica acestora, aparatura necesara, calificarea personalului si alte recomandari. Aceste proceduri sunt cuprinse in 'Manualul de mentenanta', prin grafice, analize cauza-efect, arbori de evenimente si defectare.

Bazele teoretice ale diagnozei au fost puse in anul 1960 de catre Brule, Iohanson si Klatsley, care au publicat lucrarea: 'Diagnostic of Equipment Failures'.

Se considera un sitem compus din 5 subsisteme (a, b, c, d, e) interconectate conform figurii 6.45.

Fig. 6.45 - Structura unui sistem compus din 5 subsisteme

S-au notat (A, B, C, D, E), raspunsurile subsistemelor la aplicarea stimulilor S₁ si S . Semnalele (D, E) sunt totodata, si raspunsurile sistemului. Se compara valorile raspunsurilor, obtinute prin teste experimentale, cu valorile critice indicate in 'Manualul de mentenanta' (prescrise).

Starea de buna functionare a unui subsistem este codificata cu cifra '1', iar starea de defectare cu cifra '0'. Deci, in cod binar, starea sistemului studiat la incepera testelor de diagnoza este descrisa de o suita de cifre '0' (0 0 0 0 0), deoarece se considera ca starea celor 5 subsisteme este chestionabila, sistemul in ansamblu nefunctionand.

Diagrama diagnozei este o succesiune de teste care se efectueaza pentru a identifica subsistemul (elementul) defect. Este evident ca selectarea testelor care se constituie intr-o secventa de diagnostic este o problema care necesita cunostinte adecvate ale personalului care proiecteaza sau efectueaza diagnosticul. Pentru un sistem compus din N elemente, numarul teoretic al testelor de control care se pot efectua este dat de relatia (2^N - 1). In practica se cauta selectarea secventei de teste optime pentru ca durata diagnozei sa fie minima. Diagrama diagnozei, cu referire la exemplul considerat, se reprezinta in fig. 6.46 (este similara cu arborele de defectare).

Fig. 6.46 - Diagrama diagnozei pentru un sistem compus din 5 subsisteme

Notam:

p_d - probabilitatea ca un controlor (observator) tehnic, in urma testelor de diagnoza,

sa detecteze un defect daca acesta exista in sistem;

p - probabilitatea ca sistemul sa se defecteze;

p_r - probabilitatea observarii a 'r' defecte intr-un set de 'n' teste.

Este valabila, evident, urmatoarea relatie:

(6.87)

Entropia diagnozei se exprima astfel:

S-au conceput o serie de algoritmi si programe pentru a servi proiectantilor de sisteme la specificarea testelor in vederea diagnozei defectarilor. In fig. 6.47 se prezinta organigrama unui algoritm BIT (Built - In -Test) cu trei niveluri de decizie: BIT1 - automat, BIT2 - manual temporar, BIT3 - manual permanent. Eficienta echipamentului BIT se poate evalua astfel:

(6.89)

Coeficientul de incertitudine BIT se determina ca inversul eficientei (I = 1/E).

Fig. 6.47 - Organigrama unui algoritm de testare, unde:

1 - pornire BIT; 2 - se inlocuieste unitatea defecta; 3 - functionarea se poate relua

in curand, se inlocuieste unitatea defecta; 4 - BIT inadecvat sau incorect, actiune

corectiva; 5 - se inlocuiesc unitatile in ordinea ratelor de defectare descrescatoare

sau se utilizeaza echipamentul de testare manual.

2. Principii ale diagnozei tehnice pentru echipamentele energetice

Problema diagnozei tehnice se pune, indeosebi, cu referire la urmatoarele echipamente energetice: turbine, generatoare, transformatoare, ventilatoare, pompe, compresoare.

A. Majoritatea echipamentelor enumerate au elemente in miscare (rotoare).In acest caz, pentru diagnoza tehnica este esentiala monitorizarea vibratiilor. Supravegherea vibratiilor are, de fapt, doua obiective esentiale:

mentinerea in limite cat mai reduse a fortelor dinamice, ceea ce implica prelungirea duratei de viata a echipamentului;

detectarea cat mai timpurie a tendintelor de defectare, cu scopul optimizarii mentenantei.

Fortele dinamice nu pot fi masurate direct, ceea ce impune urmarirea unor parametrii ai vibratiilor:

amplitudinea - indica gravitatea problemei;

frecventa - permite stabilirea sursei (locul defectului);

faza - identifica directia vibratiei;

forma - arata modul de miscare a rotorului (orbita).

Vibratia este rezultatul fortei si al flexibilitatii (mobilitatii) sistemului, fig. 6.48.

Fig. 6.48 - Explicativa privind parametrii vibratiei

In analiza vibratiilor, nu trebuie neglijata posibilitatea pierderii componentelor vibrationale importante, din cauza raspunsului slab al sistemului la o frecventa data.

In mod curent, se urmaresc parametrii: amplitudine si frecventa. Se compara valorile reale ale acestor marimi cu valorile nominale.

In fig. 6.49 se prezinta principalele etape ale diagnosticarii pe baza de vibratii. Se recomanda stocarea rezultatelor, cu scopul utilizarii ulterioare a acestora. Cele mai frecvente cauze ale vibratiilor si defectele pe care le implica, in cazurile in care nu sunt corectate, sunt specificate in tabelul 6.13.

** ** ************* Fig 6.49 ** ** ** ** ** **

Tabelul 6.13 - Cauzele vibratiilor la masinile rotative

B. Pentru masinile electrice rotative, exista posibilitatea unei diagnoze mai precise prin combinarea monitorizarii vibratiilor cu monitorizarea fluxului de dispersie sau/si a curentului de linie (absorbit sau debitat).

Modul de pozitionare a traductoarelor se reprezinta in figura 6.50.

Fig. 6.50 - Pozitionarea traductoarelor pentru diagnoza

tehnica a masinilor electrice.

Vibratiile masinilor electrice sunt provocate de:

raspunsul circuitului magnetic la interactiunea rotor-stator;

raspunsul capetelor de bobine la fortele electromagnetice care se exercita intre conductoare;

fortele dinamice ale rotorului;

raspunsul lagarelor (rulmentilor) la vibratia transmisa de la rotor.

Identificarea defectelor la masinile electrice, doar prin analiza vibratiilor, comporta serioase dificultati datorita necesitatii practicarii unei analize tridimensionale, ceea ce este dificil de efectuat chiar daca se utilizeaza, de obicei, un accelerometru cu frecventa de rezonanta pana la 20 kHz.

Fluxul de dispersie se monitorizeaza prin intermediul unei bobine (senzor inductiv) plasata in jurul arborelui, concentric cu acesta. Atunci cand in masina apare un defect de functionare care tulbura simetria naturala a sistemului, se modifica valoarea fluxului de dispersie. Masurand amplitudinea si continutul spectral al fluxului de dispersie se pot identifica o serie de defecte ale masinii.

Modificarile intrefierului, fluxului de dispersie, nivelului de vibratie, cauzate electromagnetic, pot fi asociate cu modificarea curentului de linie. In acest mod, curentul poate fi utilizat ca variabila de monitorizare. Dificultatea consta in existenta unui semnal pe frecventa fundamentala, ceea ce implica utilizarea unui echipament de diagnoza cu rezolutie foarte ridicata.

C. In cazul echipamentelor electrice (masini si transformatoare), exista o corelatie intre starea izolatiei si zgomotul produs in functionare. In consecinta, s-a concluzionat ca zgomotul 'electric' poate fi folosit la depistarea unor defecte ale echipamentelor electrice. Baza teoretica a acestei metode consta in faptul ca, atunci cand exista un gol sau un defect in cadrul unui material dielectric solid, pungile de aer sunt supuse unei solicitari mai mari, iar gazele vor fi intr-o anumita stare de excitatie, o anumita parte din molecule vor fi ionizate, se amplifica fortele interne si creste nivelul de zgomot.

Corelatia curent de fuga-nivel de zgomot, pentru diferite materiale electroizolante, se prezinta in figura 6.51.

Fig. 6.51 - Corelatia curent de fuga-nivel de zgomot.

(1 - polietilena; 2 - politetrafluoretilena;3 - fibra de sticla invelita in siliciu;

4 - fibra de sticla invelita in poliester; 5 - rasina epoxidica).

In Canada, sunt peste 140 de generatoare hidroelectrice prevazute cu sisteme de diagnoza tehnica prin analiza nivelului de zgomot.

3. Exemplificari de diagnoza tehnica la echipamente energetice

Prezentam in acest cadru, spre exemplificare, cateva aplicatii de diagnoza tehnica pentru echipamente energetice.

A. Monitorizarea vibratiilor unui hidroagregat de la CHE Portile de Fier I [34]

Pe baza unei experiente acumulate prin urmarirea in exploatare a hidroagregatelor de la Portile de Fier I pe parcursul a peste 10 ani, corelata cu datele preluate din literatura de specialitate, s-au stabilit 8 puncte de masura:

1 - capac turbina pe directie axiala;

2 - capac turbina pe directie tangentiala;

3 - lagar radial turbina pe directie radiala;

4 - lagar axial pe directie axiala;

5 - lagar axial pe directie tangentiala;

6 - statorul hidrogeneratorului pe directie radiala;

7 - steaua superioara (care include lagarul radial al generatorului si se sprijina pe

statorul hidrogeneratorului) pe directie radiala;

8 - steaua superioara pe directia axiala.

Plaja de frecvente s-a determinat in domeniul (1 100) Hz pentru vibratiile masurate la hidroagregatul cercetat, explicitarea frecventelor individuale fiind indicata in tabelul 6.14.

Tabelul 6.14 - Surse de vibratii in explicitarea frecventelor caracteristice

la hidroagregatele de la CHE Portile de Fier I

unde

LRG - lagar radial generator;

LRT - lagar radial turbina;

LA - lagar axial;

CT - capac turbina;

SG - stator generator;

SS - steaua superioara a generatorului.

Ca parametrii pentru masurare, s-au ales:

amplitudinea simpla a vibrodeplasarii pentru a se putea efectua o comparare cu standardele in vigoare din Romania, precum si pentru o ulterioara analiza a frecventelor componente;

amplitudinea simpla a valorii eficace a vibrovitezei, datorita informatiilor furnizate privind continutul energetic al fenomenului, evaluarea semnalului in timp si, in consecinta. a capacitatii distructive a vibratiei.

Traductoarele de vibratii realizate pentru frecventele joase necesare hidroagre-gatelor de la CHE Portile de Fier I (frecventa proprie de rotire 1 Hz) sunt de tip electrodinamic, cu frecventa proprie foarte joasa, pentru masurarea globala a semnalului de vibratii in gama 1,19 Hz la 100 Hz; ele au fost testate timp de un an in instalatii, iar valorile masurate au fost comparate cu cele prelevate cu aparatura B8R, inregistrata pe banda magnetica si prelucrata pe analizor, in timp real. Rezultatele au indicat incadrarea in clasa de precizie 5, considerata corespunzatoare pentru o instalatie de urmarire industriala. S-a constatat buna lor fiabiliate in conditii vitrege de exploatare (umiditate excesiva, temperatura 100C).

Plecand de la aceste rezultate la un hidroagregat, s-a trecut la realizarea unei instalatii industriale capabile sa masoare si sa furnizeze date despre starea vibrationala a 8 puncte alese dupa cum s-a aratat mai sus.

** ** ** ** * Fig. 6.52 ** ** ** ** ** ** **

Schema acestei instalatii este redata in fig. 6.52.Dupa cum se constata, ea contine 8 bucle de masura paralele, compuse din: adaptor electronic, cuprinzand integratoare RC, detectoare de valoare eficace de precizie, filtre trece-banda si filtre trece-jos, pentru a realiza o bucla de masura pe frecventa nominala de 1 Hz a hidroagregatului, instrument de afisare si semnalizare la depasirea limitei prereglate, obtinut prin modificarea unui milivoltmetru de 10 mV.

Suplimentar, instalatia a fost prevazuta cu o releistica adecvata, in vederea conservarii informatiilor (releu de semnalizare pe fiecare bucla), precum si pentru asigurarea temporizarilor necesare desensibilizarii releelor de protectie in timpul proceselor de pornire si oprire a hodroagregatului, cand este stiut ca nivelul vibratiilor depaseste nivelul normal de exploatare. Sistemul functioneaza de peste 5 ani [34].

In urma experientei cu aceasta instalatie, in prezent se realizeaza si se monteaza pe toate hidroagregatele de la CHE Portile de Fier I, un monitor industrial, avand un sistem de baleiere a punctelor de masura prin intermediul unui multiplexor, cu indicarea valorilor masurate ale vibrodeplasarii sau a valorii eficace a vibrovitezei la alegere, pe un singur instrument de afisare.

De asemenea, se realizeaza un set de filtre pe frecventele caracteristice hidroagregetelor de la CHE Portile de Fier I. Acestea se vor conecta la receptionarea unui semnal preventiv pe hidroagregat, respectiv canalul de masura in cauza, in vederea efectuarii analizei de frecventa si inregistrarii acestui spectru. In perspectiva, se analizeaza completarea instalatiei cu un canal de masura a ultrasunetelor din camera rotorului turbinei, ca un indicator al intensitatii regimului conventional in care lucreaza turbina.

Instalatia va fi prevazuta cu o interfata si cu un calculator de proces. Se preconizeaza, ca printr-un program adecvat, calculatorul sa asigure stocarea valorilor citite pe monitor in corelatie cu celelalte marimi electrice, mecanice, hidraulice ce caracterizeaza functionarea unui hidroagregat. De asemenea, la depasirea unor valori limita prereglate, sa se asigure conectarea setului de filtre pentru analiza de frecventa.

B. Sistem multicanal pentru vibrodiagnosticarea turbinelor [77]

Sistemul a fost conceput de ICEMENERG si ICPE. Sistemul proceseaza si memoreaza informatiile privitoare la starea turbinelor, prelevate prin intermediul unor senzori vibrationali si a unor instrumente de control a parametrilor de lucru. Sistemul poate fi cuplat la mai multe turbine, avand un calculator de proces care stabileste succesiunea punctelor de masura si un computer central (IBM PC) pentru procesarea, analiza si stocarea datelor semnificative. Principalele facilitati ale sistemului sunt:

urmarirea permanenta a vibratiilor;

masurarea selectiva a vibratiilor;

vibrodiagnosticarea prin urmarirea parametrilor, atat in conditii normale, cat si la

depasirea limitelor;

memorarea simultana a parametrilor de lucru si a parametrilor vibrationali tipici;

generarea automata a bazei de date si posibilitatea permanenta de acces si

analiza;

compararea parametrilor de lucru si a parametrilor vibrationali cu valorile normale,

in scopul sesizarii si identificarii eventualelor defecte.

Sistemul permite supravegherea permanenta a starii sistemului, prin urmarirea parametrilor la monitor, respectiv analiza - prin redarea la imprimanta - a datelor prelevate si prelucrate. Sunt practicate analize grafice pentru una sau mai multe armonici, pe componente (X, Y, amplitudine sau faza). Se realizeaza, de asemenea, analize vectoriale pentru armonica de ordinul I sau II. Analiza tridimensionala permite a se evidentia evolutia intregului spectru vibrational. Exista posibilitatea selectarii si ordonarii parametrilor prelevati si datelor vizualizate.

Sistemul are un soft foarte dezvoltat care permite: stocarea, procesarea si detectia in timp real a depasirii limitelor pentru parametrii vibrationali preluati prin 64 canale (64 puncte), respectiv 64 parametrii de lucru preluati ca marimi analogice (curent unificat), cu referire la fiecare turbina. Datele prelevate si/sau prelucrate pot fi teletransmise.

Sistemul descris este functional pentru un grup turbogenerator de 200 MW din CTE Iernut. Exemplificarea modului in care se evidentiaza grafic starea grupului este redata in figurile 6.53 si 6.54.

** ** ** ** * Fig. 6.53 ** ** ** ** *******

Fig. 6.53 - Exemplificare privind grafica de supraveghere a turbinei

Fig. 6.54 - Evolutia in timp a vibratiilor intr- un punct al turbinei

Un sistem similar de vibrodiagnoza se afla in experimentare la FEC Brasov [77].

C. Alte exemple de diagnoza

In figura 6.55 se prezinta, comparativ, spectrul de frecventa al unui ventilator in starea descentrat (a) si respectiv, dupa centrare (b). Echilibrarea s-a efectuat, in acest caz, fara demontarea ventilatorului [74].

** ** ** ** ******* Fig. 6.55 ** ** ** ** **********

Fig. 6.55 - Spectrul de frecventa al unui ventilator

Spectrul de frecventa al unui compresor elicoidal cu defect la lagar este evidentiat in figura 6.56.

** ** ** ** Fig. 6.56 ** ** ** ** ** ** **

Fig. 6.56 - Spectrul de frecventa al unui compresor elicoidal cu defect la lagar

Defectarea lagarului este indicata de saltul (1) al vitezei la frecventa de 600 Hz. Saltul (2) se datoreaza pulsatiei presiunii.

Detectarea defectelor, in cele doua cazuri, s-a facut prin masurarea periodica a vibratiilor cu ajutorul unor instrumente portabile (vibrometre), echipamentele respective nefiind prevazute cu sisteme informatizate de diagnoza.