ГЕНЕРАТОРЫ
Виброакустическая диагностика и ресурсосберегающая эксплуатация

Андрей Назолин, к.т.н., генеральный директор Виктор Поляков,
к.т.н., технический директор ООО НТЦ «Ресурс», г. Москва

В последних номерах журнала большое внимание уделялось вопросам диагностики различных видов электрооборудования в эксплуатации (www.news.elteh.ru).
Сегодня наши московские авторы предлагают рассмотреть методы виброакустической диагностики и ресурсосберегающей эксплуатации генераторов.
Приведенные результаты экспериментальных исследований показывают, что внедрение ресурсосберегающей эксплуатации позволит существенно увеличить надежность и ресурс эксплуатируемых генераторов, особенно турбогенераторов, работающих с неравномерным графиком нагрузки.

КРАТКИЙ АНАЛИЗ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

По данным заводов-изготовителей [1] и исследовательских инженерных центров [2], основными причинами повреждений турбогенераторов, определяющими их надежность и ресурс, являются дефекты крепления следующих элементов статора:

• крайние пакеты стали;
• лобовая и пазовая части обмотки статора;
• сердечник.

Во многом это связано с ограниченными возможностями эмпирического подхода для анализа работы высоконадежного оборудования. Конкретный исследователь, наблюдающий за ограниченным числом генераторов, встречается с появлением дефектов слишком редко для установления физических связей, подтверждаемых статистикой.

МЕТОД ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СТАТОРОВ

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

мендации не были приняты, так как были оспорены специалистами, выполнявшими ремонтную диагностику и ремонт крайних пакетов во время предшествующего капитального ремонта. В результате спустя два года, во время останова генератора на следующий капитальный ремонт, были обнаружены обширные разрушения крайних пакетов, недоступные для устранения ремонтными методами. В связи с чем пришлось выполнить замену статора генератора.
В другом случае на одном из турбогенераторов ТВВ-320-2, прошедшем модернизацию, в результате виброакустических испытаний было обнаружено появившееся после модернизации существенное ослабление узлов крепления сердечника к корпусу статора. Разработанные по данным диагностических испытаний рекомендации по оптимизации режимов работы, предотвращающих разрушение узлов, и по усилению узлов крепления ремонтными методами не были выполнены персоналом электростанции в связи с тем, что были оспорены специалистами другой авторитетной организации, проводившей ремонтную диагностику. В результате через полгода эксплуатации в верхней части спинки статора были обнаружены многочисленные осколки элементарных листов стали и капли расплавленного металла, образцы которых приведены на фото 1.
В процессе эксплуатации наблюдалось повышение тока ротора на величину до 6% по показаниям штатных приборов, что указывает на возможное появление витковых замыканий в роторе из-за попадания осколков металла в каналы охлаждения ротора. Следует ожидать попадания осколков металла на изоляцию обмотки статора, то есть дальнейшая эксплуатация этого генератора связана с большим риском.

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Показанные на рис. 2, 3, 4 зависимости служат убедительным доказательством возможности эффективного управления развитием ключевых дефектов генератора посредством изменения параметров режима работы, не влияющих на выдачу активной мощности. Это подбор оптимальных значений реактивной мощности и температур охлаждающих сред с опорой на результаты виброакустической диагностики и измеряемые параметры виброакустического сигнала. Зависимость мощности виброударных процессов от влияющих параметров режима часто носят практически «релейный» характер.
Следовательно, даже незначительные изменения указанных параметров могут привести к полной блокировке развития дефектов и приостановке процесса ускоренного износа. В этом случае неисправности могут быть устранены во время плановых ремонтов практически без снижения ресурса генератора.
Температура охлаждающей среды и реактивная мощность являются удобными влияющими параметрами, так как температура не определяется диспетчерским заданием и может изменяться по воле эксплуатирующего персонала в достаточно широком диапазоне, определенном инструкцией по эксплуатации завода-изготовителя. Реактивная нагрузка задается диспетчерским графиком нагрузки, но, в связи с имеющимся запасом возможностей генераторов по реактивной мощности, нужная нагрузка дефектного генератора в большинстве случаев может быть установлена перераспределением реактивной нагрузки по параллельно работающим генераторам одной электростанции.
Ресурсосберегающая эксплуатация генераторов с опорой на результаты виброакустической диагностики позволяет формулировать правила и устанавливать оптимальные значения влияющих параметров с учетом только особенностей дефектов генераторов.

Например, распорядительные документы отрасли, а именно циркуляр Ц-06-96 [11], предусматривает наложение ограничений на режимы реактивной мощности генераторов с ослабленной прессовкой крайних пакетов в зависимости от результатов его ремонтного осмотра. В соответствии с требованиями [11] на генераторе, спектр виброакустических колебаний которого показан на рис. 3, было рекомендовано исключить работу в режимах потребления реактивной мощности. Но, как следует из рис. 3, для предотвращения износа крайних пакетов этого недостаточно. Виброударные процессы в крайних пакетах и их износ прекращаются при некоторой минимальной генерации реактивной мощности, имеющей, очевидно, разное для каждого генератора значение. По этой причине следование рекомендациям [11] не позволило остановить развитие процесса распушения крайних пакетов на генераторе. В результате пришлось выполнить замену статора генератора.
Интенсивность аксиального магнитного поля в торцевых частях генератора существенно снижается при разгрузке машины по активной мощности [10], что делает работу крайних пакетов стали в режимах недовозбуждения более устойчивой. Как видно на рис. 3, разгруженный генератор с ослабленной прессовкой крайних пакетов может допускать некоторое потребление реактивной мощности без ущерба для его надежности. В то же время преимущественно при разгрузке энергосистемы и возникает потребность работы генераторов в режиме недовозбуждения для поддержания требуемого уровня напряжения.
Таким образом, рекомендации циркуляра Ц-06-96 по оптимизации режимов работы генераторов с ослабленной прессовкой сердечника статора не являются оптимальными. С одной стороны, они не предотвращают разрушение крайних пакетов в режимах работы с номинальной нагрузкой. С другой стороны, не используются технические возможности генератора по потреблению реактивной мощности в случае его разгрузки.
Для обеспечения надежной работы турбогенераторов с ослабленной прессовкой активной стали и предотвращения износа листов крайних пакетов оптимизацию реактивной мощности необходимо проводить по параметрам виброакустического сигнала, измеренным при работе генератора под нагрузкой.
Внедрение методов, обеспечивающих сбережение технического ресурса генераторов, особенно актуально в настоящее время, когда в связи с переходом на рыночные принципы производства электроэнергии увеличилась степень неравномерности суточного графика нагрузки турбогенераторов. Это, по наблюдениям авторов, приводит к расшатыванию и ускоренному ослаблению системы крепления лобовых дуг обмотки статора. Скорость износа узлов креплений существенно увеличивается. Происходит более интенсивное, чем обычно, истирание элементов креплений и изоляции стержней обмотки. Например, на турбогенераторе ТВВ-320-2, пущенном в эксплуатацию в 1988 году, первые признаки незначительного истирания изоляции опорных конструкций лобовых дуг были обнаружены во время капитального ремонта 1998 года в виде двух точек незначительного напыления продуктов истирания в местах касания бандажных колец и кронштейнов крепления лобовых дуг. В 2002 году имелась только одна точка истирания со слабой запыленностью. В капремонте 2007 года выявлено уже 10 точек истирания, многие из которых имеют обильную степень запыления (фото 2). Подобные признаки прогрессирующего ослабления креплений лобовых дуг замечены и на других электростанциях, где авторами проводилась виброакустическая диагностика генераторов. На всех генераторах интенсивное ослабление креплений происходило начиная приблизительно с 2002 года, независимо от срока их службы [12].
По-видимому, проблема ослабления креплений лобовых дуг в ближайшее время станет столь же очевидной и актуальной, как и проблема распушения крайних пакетов при работе генераторов в режимах недовозбуждения. В настоящее время отсутствуют эффективные ремонтные технологии локального восстановления монолитности узлов крепления лобовых дуг. Поэтому своевременная организация ресурсосберегающей эксплуатации на основе непрерывного виброакустического контроля является наиболее эффективным и доступным способом технического противодействия ускоренному износу обмоток статоров турбогенераторов, находящихся в эксплуатации.
Данные, приведенные на рис. 4, служат убедительным доказательством возможности эффективного управления скоростью развития процесса ослабления креплений лобовых дуг обмотки статора, так как в этом случае зависимость мощности процесса ускоренного износа от влияющих параметров режима носит практически «релейный» характер.
Ресурсосберегающая эксплуатация генераторов способна обеспечить экономический эффект, многократно превосходящий затраты на ее организацию и существенно больший, чем периодический виброакустический контроль. Для эффективной реализации ресурсосберегающей эксплуатации необходимо оснащение генератора стационарными техническими средствами непрерывного виброакустического контроля и диагностики, предназначенными для работы с эксплуатационным персоналом. Такое устройство должно обеспечивать оповещение эксплуатационного и ремонтного персонала о появлении дефектов статора и выдавать рекомендации по оптимальным режимам эксплуатации генератора, снижающим скорость развития дефекта (оптимальная реактивная мощность, температуры охлаждающих сред). Программно-технический комплекс виброакустического мониторинга дефектов статора, соответствующий заявленным требованиям, разработан в НТЦ «Ресурс» и включает в себя виброакустические датчики, подключенные к блоку обработки данных, реализованному на промышленном компьютере.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ

Решение задач диагностирования и прогнозирования предполагает оценку степени механического износа активных частей генератора. Степень износа зависит от мощности виброударных процессов и времени их протекания, то есть связана с энергией виброакустического сигнала, генерируемого в процессе ускоренного износа. Расчет энергетических параметров обеспечивается при оснащении генератора стационарными средствами непрерывного виброакустического контроля и диагностики.
Кроме того, важность виброакустического метода диагностики состоит в том, что он дополняет пакет известных методов оперативной диагностики генераторов до уровня, на котором можно реально ставить и успешно решать задачу перехода от плановых периодических ремонтов к ремонтам по состоянию с обеспечением существенного сокращения затрат на ремонтное обслуживание генераторов.

ВЫВОДЫ

1. Ресурсосберегающая эксплуатация включает в себя проведение виброакустической диагностики эксплуатируемых генераторов, которая требует оснащения стационарными средствами непрерывного виброакустического контроля и диагностики генераторов, имеющих признаки ускоренного износа конструктивных элементов, и последующей оптимизации режимов работы генератора с опорой на данные виброакустического контроля по критерию достижения минимальной скорости износа. Оптимизация режимов проводится оперативным персоналом энергоблока в основном регулированием температур охлаждающих сред и перераспределением реактивной мощности по генераторам.
2. Экспериментальные исследования показывают, что внедрение ресурсосберегающей эксплуатации позволит существенно увеличить надежность и ресурс эксплуатируемых генераторов, особенно турбогенераторов, работающих с неравномерным графиком нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Данилевич Я.Б., Кади-Оглы И.А., Попов В.В. Своевременная диагностика и модернизация оборудования на ее основе – первоочередная задача отечественного турбогенераторостроения // Труды международного симпозиума «ЭЛМАШ – 2006», Т.1. – М.: МА «Интерэлектромаш», октябрь 2006.
2. Алексеев Б.А., Мамиконянц Л.Г., Шакарян Ю.Г. Проблемы продления эксплуатации основного электрооборудования энергосистем, отработавшего определенный стандартами срок работы // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2001. – № 3.
3. Кулаковский В.Б. Работа изоляции в генераторах. – М.: Энергоиздат, 1981.
4. Кузнецов Д.В., Шандыбин М.И. Применение методов виброконтроля для оценки состояния упругой подвески сердечника статора турбогенератора // Электрические станции. – 2007. – № 10.
5. Фридман В.М., Шкода Г.В., Школьник В.Э. Колебания статора турбогенератора, связанные с вращающимся магнитным полем // Сб. «Электросила» – Л.: Энергия, 1974. – № 30. – С. 17–21.
6. Назолин А.Л. Математическое моделирование влияния неидеальных связей в упругой подвеске машины на передачу вибрации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Естественные науки». – 2004. – № 3.
7. Назолин А.Л., Поляков В.И. Виброударные режимы движения в дефектном узле подвески сердечника статора мощного генератора // Сборник трудов XV симпозиума «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем». – Москва–Звенигород: РАН–ИМАШ им. А.А.Благонравова. – 2006. – С. 200–205.
8. Назолин А.Л. Математическая модель виброударного процесса в системе консоль – многослойное упругое основание с фрикционными свойствами // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Естественные науки». – 2004. – № 4.
9. Назолин А.Л., Поляков В.И. Особенности вынужденных колебаний системы сердечник – упругая связь – корпус турбогенератора при дефекте ослабления жесткости подвески // Вестник ННГУ. Сер. «Математическое моделирование и оптимальное управление». – 2004. – № 1(27).
10. Вольдек А.И., Данилевич Я.Б., Косачевский В.И., Яковлев В.И. Электромагнитные процессы в торцовых частях электрических машин. – Л.: Энергоатомиздат, 1983.
11. Циркуляр Ц-06-96 «О повышении надежности турбогенераторов мощностью 100–800 МВт, работающих в режимах недовозбуждения». – М.: Департамент науки и техники РАО «ЕЭС России», 1996.
12. Назолин А.Л., Поляков В.И. «Виброакустическая диагностика статора турбогенератора. Основные принципы и результаты применения» // Совершенствование организации эксплуатации и повышение надежности турбогенераторов: Сб. докл. технического семинара, Москва, 4–6 октября 2005 г. – М.: ОРГРЭС, 2005.