17 августа 2009 г в машинном зале Саяно-Шушенской ГЭС произошел выброс воды из кратера турбины в результате разрушения гидроагрегата № 2, введенного в эксплуатацию в 1979 г. Гидроагрегат № 2 был поврежден из-за разрушения шпилек крепления крышки турбины к ее статору, что привело к отрыву крышки.
Потоком воды ротор гидроагрегата с крышкой турбины и верхней крестовиной был выброшен наверх. Вода заполнила шахту турбины, залила машинный зал, который был затоплен до отметки 335 м. Было повреждено силовое, вспомогательное оборудование, обрушены строительные конструкции здания машинного зала. Все 10 гидроагрегатов вышли из строя. Если бы виброизменения были учтены более точно, возможно, катастрофы удалось бы избежать.
Говоря о проведении вибрационных измерений для систем автоматизированного контроля и защиты гидроагрегатов в районе турбины (крышка турбины, турбинный подшипник) следует иметь ввиду, что для этой части агрегата возможно сочетание стационарных, нестационарных, случайных и ударных вибрационных процессов с широким спектром и высокими уровнями вибрации.
Контроль вибрационного состояния мощных гидроагрегатов является актуальной технической задачей и регламентируется рядом нормативных документов. В большинстве документов в качестве контролируемого параметра рекомендуется использовать размах перемещения, измеряемого в сравнительно узкой полосе частот. Некоторые предприятия-изготовители рекомендуют использовать оценки СКЗ скорости, а иногда и ускорения.
Наши последние исследования показывают, что в некоторых точках контроля вибрации, таких как турбинный подшипник и крышка турбины, значительный уровень вибрации соответствует частотам более 200 и даже 1000 Гц. Это делает актуальным переход к контролю по скорости и ускорению, как будет показано ниже и к расширению частотной полосы анализа.
Поскольку установленная на гидроагрегатах аппаратура, особенно ориентированная на более старые нормативные документы, частот измеряет только размах перемещения, иногда рекомендуют использовать в качестве критерия уровня вибрации эквивалентное значение СКЗ перемещения т.е. если аппаратура измеряет размах перемещения Sr, эквивалентное значение СКЗ перемещения Se принимается равным:
Поскольку установленная на гидроагрегатах аппаратура, особенно ориентированная на более старые нормативные документы, частот измеряет только размах перемещения, иногда рекомендуют использовать в качестве критерия уровня вибрации эквивалентное значение СКЗ перемещения, т.е. если аппаратура измеряет размах перемещения Sr, эквивалентное значение СКЗ перемещения Se принимается равным:
Представленные сигналы показывают, что имеются всплески сигналов с уровнем в несколько g, хотя средний уровень вибрации по амплитуде не превышает 2 g, что позволяет использовать для контроля вибрации датчики высокой чувствительности, имеющие низкий уровень собственных шумов. Нетрудно видеть, что спектры по перемещению, выделяя низкочастотную часть, отображают высокочастотные составляющие в сильно ослабленном виде. Данные результаты получены при измерении вибрации с использованием сравнительно высокочастотного датчика с полосой линейной части АЧХ до 10 КГц и частотой собственного резонанса 23 КГц. Естественно, что специализированные низкочастотные датчики, широко используемые в гидроэнергетике, вообще не реагируют на наличие значительных высокочастотных вибраций. В качестве измерительного оборудования были использованы модуль NI USB 4431 и LabV.
Возможно несколько подходов к оценке допустимого уровня вибрации. В большинстве случаев в качестве критерия пороговое значение выбирается на основе экспертных оценок и статистических данных о повреждениях для величины вибрации в относительно узкой полосе частот, в которой проявляются определенные свойства агрегата (обычно наибольший интерес представляет его поведение как механического ротора). В этом случае выполняют анализ детерминированного набора частотных составляющих (оборотных, «жгутовых», лопастных и лопаточных), соответствующих области низких частот. Данный подход по существу является диагностическим и направлен на выявление механических проблем в роторном агрегате. С другой стороны, существует большое количество публикаций и нормативных документов, касающихся оценки влияния вибрации на конструкции различного назначения и прежде всего ГОСТы, ориентированные на испытания в условиях воздействия вибрации. В основу таких испытаний положено воздействие вибрацией определенной величины на проверяемый объект. При этом вибрация может быть как гармонической, так и случайной или иметь характер ударных воздействий. В соответствии со вторым законом Ньютона сила воздействия связана простыми соотношениями с ускорениями и при проведении таких испытаний основным параметром контролируемой вибрации является ускорение. Таким образом, при прочностном подходе к контролю уровня допустимой вибрации основным параметром воздействующей вибрации является ускорение.
Ряд аварийных ситуаций на гидроагрегатах был связан с разрушением конструктивных элементов, например, элементов крепления крышки турбины. Следует принять во внимание, что кроме возможных повреждений, связанных с кратковременным воздействием больших усилий и достижением пределов прочности и текучести, важное значение имеет явление усталостной прочности. Данное явление определяет существенное снижение прочности при воздействии повторяющегося циклического воздействия. Примером такого воздействия является воздействие вибрации. Для большинства материалов имеется величина порогового значения усталостной прочности и при меньших механических напряжениях, а также соответствующих им уровнях ускорения, конструкционный материал может работать сколь угодно долго. Анализ вибрационных сигналов в стационарных режимах или в режиме переходных процессов показывает, что на таком элементе как крышка турбины в некоторых случаях имеются значительные (до 10 g и более) пики ускорений, которые могут оказывать негативное влияние на прочность элементов конструкции. Поскольку используемые в настоящее время системы контроля вибрации не ориентированы на контроль в переходных режимах и по возможности исключают учет влияния высокочастотных и ударных составляющих, такое негативное влияние высоких уровней вибрационного воздействия вообще может оказаться незамеченным такой системой.
Процесс усталостного повреждения описывается диаграммой Вёллера (S-N диаграммой), типичный вид которой приведен на рис.4. Для расчета допустимой длительности воздействия вибрации с учетом усталостного повреждения необходимо учитывать как амплитуду действующих сил, порождающих напряжение в материале так и число циклов, которое связано с длительностью эксплуатации и частотой воздействия. Поскольку механические силы связаны с ускорениями, а частота циклов с частотой вибрации, представляет интерес проводить контроль интегрального уровня сигналов ускорения за время наработки, причем с учетом высокочастотных составляющих вибрации превышающих некоторый предел, который связан с величиной порога усталости, если для использованного конструктивного материала он отличен от нуля.
Формируемые оценки интегрального воздействия вибрации должны соотносится с расчетами на усталостную прочность, например с использованием расчета на усталость по правилу Майнера.
При построении системы автоматизированного контроля вибрационного состояния возникают такие задачи, как выбор частотного диапазона, выбор измеряемой характеристики вибрации (ускорения, скорости или перемещения), выбор измеряемого параметра для выбранной характеристики вибрации (размах, СКЗ или среднее значение) и выбор методов получения статистически устойчивых оценок, например выбор методов усреднения «мгновенных» результатов. Полученные оценки могут иметь значительное различие если, например, используется векторное или обычное усреднение, оценки истинного или «среднего размаха и средней частоты».
Частотный диапазон контроля вибрации как следует из таблицы 1 определяется нормативными документами. Полоса анализируемых частот должна охватывать значимые вибрационные процессы. Значительное ослабление высокочастотных составляющих вибрации в процессе формирования оценок перемещения приводит к тому, что сигналы перемещения практически не содержат информации о высокочастотных составляющих. Приведенные ниже данные о зависимости уровня вибрации от полосы частот для перемещения, скорости и ускорения показывают, что, по крайней мере для некоторых точек контроля вибрации (крышка турбины), где высокочастотные составляющие не только имеются, но и могут иметь определяющее значение, оценивать вибрацию по перемещению некорректно. Насколько значимы составляющие, лежащие вне полосы частот анализа можно оценить при измерении уровня вибрации в зависимости от полосы анализа (частота сверху ограничивалась фильтром нижних частот Баттерворта шестого порядка). Значения частоты среза 30, 200, 1000 и 10000 Гц.
Представленные графики показывают, что к влиянию высокочастотных составляющих более чувствительны измерения ускорения и оценки в виде размаха, причем оценки СКЗ перемещения практически не чувствительны к составляющим выше 200 Гц, а измерения скорости малочувствительны при расширении полосы анализа выше 1000 Гц. Таким образом, при необходимости анализа вибрации в широкой полосе, превышающей 1000 Гц, преимущества измерения скорости, как компромисса между перемещением и ускорением не очевидны и для получения полной картины вибрационного состояния необходимо параллельно оценивать несколько параметров, например размах перемещения и размах ускорения.
Приведенные ранее типичные спектры вибрации на крышке турбины показывают, что сигналы имеют сложный характер. В соответствии с общепринятой классификацией вибрацию принято классифицировать как гармоническую (полигармоническую), случайную или ударную. Для каждого из этих типов вибрации разработаны методы измерения и оценивания параметров. Реальный вибрационный процесс не всегда может быть однозначно классифицирован как один из указанных, и представляет сложную аддитивную комбинацию. Применение параметров одного из типов к совокупности может создавать неадекватную оценку реального процесса. Случайные ударные процессы, следующие один за другим с наложением на полигармонические резонансные отклики и в смеси со случайным гидродинамическим шумом приводят к тому, что использовать получаемые оценки в виде одного числового значения, как критерия уровня вибрации и, следовательно, состояния агрегата, некорректно. С учетом этого строить системы автоматической защиты, основанные на такой оценке, не следует, поскольку такая защита либо будет иметь малую чувствительность и не будет реагировать на значимые процессы в агрегате, либо окажется излишне чувствительной к непродолжительным изменениям, например при переходных процессах, что вызовет ложные срабатывания системы автоматической защиты.
Турбоагрегат является сложным механизмов, в котором динамические процессы связаны с механикой, электрическими явлениями и гидродинамикой. Все эти процессы прямо или косвенно влияют друг на друга, меняются в зависимости от режимов работы и поэтому очень важно учитывать специфику вибрационных откликов и соответствующих им сигналов, формируемых первичными измерительными преобразователями - датчиками.
Возможны два подхода к такому явлению, как имеющиеся ударные процессы. Можно, по возможности, снизить их влияние на результаты измерения чтобы не учитывать при оценке вибрационного состояния. Данный подход представляется вполне обоснованным, если речь идет об использовании вибрационных оценок для диагностики отдельных узлов агрегата, исключая, например, влияние гидродинамических процессов. С другой стороны, наличие высоких вибраций в виде ударов большой амплитуды не представляется разумным игнорировать, поскольку это может привести к незаметному развитию усталостных разрушений. Оценить долевой вклад ударных составляющих можно по соотношению оценок в виде размаха и СКЗ или по величине коэффициента эксцесса
Вид графиков оказывается сходным для размаха и для СКЗ, но измерения для перемещения и ускорения, особенность при высоких значениях генерируемой мощности различны. При большой мощности измерения по ускорению показывают рост вклада высокочастотных составляющих вибрации, которые не учитываются при измерении перемещений. Таким образом оценки вибрационного состояния по перемещению на больших мощностях, которые являются основными рабочими режимами, не учитывают в полной мере изменения в характере вибрационных процессов.
Связь оценок по размаху и в виде СКЗ можно оценить для перемещения и ускорения в виде их отношения:
или оценки эксцесса
Для таких параметров получается сходный характер графиков и их увеличение соответствует росту вклада ударных процессов на соответствующих режимах работы агрегата
Для оценок перемещения наблюдается рост в области высоких мощностей, а оценки для ускорения отражают значительные отклонения от 5 для отношения РАЗМАХ/СКЗ, что типично для полигармонических процессов, или от трех для коэффициента эксцесса, свидетельствующих о росте вклада ударных процессов.
Следует кратко остановится на особенностях процедуры обработки сигналов при измерении вибрации. Наибольшее распространение получили методы, основанные на оценке вибрации по спектральному разложению с применением БПФ. Достоинством этого метода является простота программной реализации и возможность совмещения с решением задачи полосовой фильтрации. Такой метод хорошо работает при оценке СКЗ. Информация о размахе по спектру непосредственно не может быть рассчитана. Кроме того, применение БПФ фактически дает средние оценки для обрабатываемой реализации, причем высокочастотные составляющие, если они имеют случайный характер, могут взаимно компенсироваться, если на длительности реализации их фаза меняется случайным образом.
Важное значение для построения надежной системы контроля защиты по вибрационным характеристикам имеет достоверность данных получаемых от датчиков вибрации. Если говорить о датчиках вибрации неподвижных элементов конструкции, то наибольшее распространение для контроля вибрации получили датчики пьезоэлектрического типа и МЕМs датчики, например, пьезорезистивные. Сравнительные анализ таких датчиков, как в реальных условиях эксплуатации, так и на испытательных стендах показал, что MEMs датчики с эффективным воздушным (РА059) или жидкостным (ИВП-05-0,8/200) демпфированием для подавления высокочастотных составляющих, обеспечивают получение устойчивых оценок для низкочастотной вибрации. Такие датчики имеют высокую чувствительность, но в условиях воздействия очень больших ударных воздействий возможна перегрузка таких датчиков, что может привести к искажению результатов измерения или к механическому повреждению чувствительного элемента. Кроме того, такие датчики имеют сравнительно низкую верхнюю граничную частоту и фактически не позволяют контролировать высокочастотные вибрационные и ударные процессы.
Стандартные пьезоэлектрические датчики вибрации с интерфейсом IEPE могут быть в большинстве случаев с успехом использованы для контроля вибрации гидроагрегатов в широкой полосе частот и при большом динамическом диапазоне воздействующих вибраций. В некоторых случаях, при наличие ударных воздействий, и необходимости формирования оценки в виде перемещения за счет двойного интегрирования в таких датчиках может проявляться эффект аномально высоких низкочастотных составляющих, соответствующих нижней рабочей частоте измерений. Это может быть связано с такими явлениями как пироэффект или спонтанная поляризация в пьезоэлектрических элементах. Эффективный способ борьбы с такими явлениями - использование встроенного механического фильтра.
Важное значение имеет и обоснованность принятия решения о необходимости остановки агрегата по результатам обработки результатов. В качестве методов повышения достоверности срабатывания защиты используются, во-первых, задержка срабатывания на заданный временной интервал с подтверждением сохранения высокого уровня в течение этого интервала. Во-вторых, увеличение количества усреднений. В-третьи, отслеживание тренда изменений уровня вибрации. В-четвертых, интегральная во времени оценка вибрации и учет предыдущей истории. В-пятых, учет режима работы агрегата
Еще одним из способов повышения достоверности выдачи сигнала автоматической защиты агрегата по превышению каким либо параметром допустимого уровня является логическое подтверждение такого изменения связанным с ним изменением другого параметра, что снижает вероятность ложного срабатывания защиты при нарушениях работы датчика или независимых цепей преобразования и передачи сигналов в одном из каналов. Действительно, между изменениями контролируемых величин имеются корреляционные связи. В таблице 3 приведены в виде матрицы экспериментально полученные коэффициенты корреляции для измеряемых величин на основании данных накапливаемых системой непрерывного контроля агрегата ГАЭС. При расчете, для получения достоверных значений были исключены интервалы времени соответствующие остановленному агрегату. Вертикально-осевая симметрия агрегата объясняет большие коэффициенты корреляции для датчиков измеряющих однотипные параметры для разных направлений - левого берега (ЛБ) и верхнего бьефа (ВБ). При необходимости сокращения количества каналов возможно на основании представленных данных провести исключение «дублирующих» каналов. Кроме подтверждения возможности использования логики защиты, представленные данные могут быть использованы для анализа взаимосвязи параметров, характеризующих работу агрегата. Следует отметить, что при наличие развитых дефектов матрица коэффициентов корреляции может измениться, а анализ аналогичных матриц для горизонтально - осевых агрегатов тепловой энергетики показывает, что даже для датчиков установленных близко друг к другу возможность логического подтверждения не всегда обоснована, что говорит о необходимости осторожного применения такого метода для горизонтальных гидроагрегатов.
Резюмируя отметим, что автоматические системы вибрационного контроля гидроагрегатов по своим параметрам должны максимально полно отображать вибрационные явления, которые имеются на агрегате. Для этого измерительные каналы должны обеспечивать контроль ускорения, скорости и перемещения в широкой полосе частот.
Диагностика турбин должна предусматривать возможность оценки вибрационного состояния агрегата по данным в низкочастотной (до 200Гц), среднечастотной (до 1000 Гц) и высокочастотной (10000-20000 Гц) зонах.
Аппаратура должна базироваться на датчиках, надежно работающих при случайных вибрациях и ударных импульсах.
Алгоритмы защиты на останов должны быть интеллектуальными, предусматривать контроль роста вибрации в физически связанных точках контроля, для чего можно по наработанным базам данных рассчитать корреляционные матрицы. Наработанные базы данных целесообразно использовать и для оценки интегральной дозы вибрационных воздействий.
Защита должна настраиваться не только на стационарные режимы, но и переходные, учитывать многообразие параметров определяющих сравнимость режимов и вибраций.
Олег Скворцов,
Евгений Трунин
