Аппаратно-программный комплекс для оперативного определения влагосодержания турбинного масла на агрегатах АЭС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС

УДК 621.039

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ТУРБИННОГО МАСЛАНА АГРЕГАТАХ АЭС

© 2013 г. К.С. Сидоров, В.В. Шапошников

Снежинский физико-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Снежинск, Челябинская обл.

Поступила в редакцию 25.11.2013 г.

В работе рассмотрена проблема увеличения содержания воды в турбинных маслах на агрегатах АЭС. Предложен метод экспресс-диагностики масел, в основе которого дифференциальный датчик типа «ЭЛИМ-1». Описан принцип работы датчика. Показана математическая модель выражения диэлектрической проницаемости гетерогенной системы вода-масло. Построены структурная и функциональная схемы аппаратно-программного комплекса оперативного определения влагосодержания турбинного масла.

Ключевые слова: агрегаты АЭС, турбины, турбинные масла, повышенное влагосодержание масел, диэлектрическая проницаемость, экспресс-диагностика масел, дифференциальный датчик, аппаратно-программный комплекс.

Диагностика элементов конструкций и агрегатов АЭС на предмет влагосодержания в турбинном масле является одним из важнейших и трудоемких направлений диагностики. Известно, что турбинные масла предназначены для смазывания и охлаждения подшипников различных турбоагрегатов, в циркуляционных и гидравлических системах различных промышленных механизмов.

В настоящее время для указанных целей используется несколько методов, самый точный разработан в 1935 году Карлом Фишером, классический метод титрования [1]. На рынке имеются автоматические измерители влагосодержания с использованием титратора Фишера, но, как и в прошлом, необходимы пробы рабочих масел турбогенераторов, их перевозка в отдельную лабораторию и проведение исследований. Стоит заметить, что, как и для классического метода титрования, так и для автоматических титраторов требуются дорогостоящие реактивы, метод применяется только в случае подозрений на обводнение масла.

В основном для ежесуточного определения влагосодержания масла используется визуальный метод, в некоторых случаях проводят капельные пробы (рисунок 1).

Рис. 1. Капельные пробы масел ©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2014

Согласно требованиям к эксплуатации, организации и проведению испытаний трансформаторных и турбинных масел на атомных станциях Российской Федерации [2], одной из основных норм является отсутствие воды в масле. Это значит, что при эксплуатации турбинные масла не должны образовывать стойкой эмульсии с водой, которая может проникать в смазочную систему. Однако в процессе эксплуатации под воздействием вибрационных механических нагрузок и времени происходит ухудшение технического состояния масла, увеличивается влагосодержание, которое со временем превышает допустимые нормы. Поэтому большое значение приобретает раннее определение возможных неисправностей оборудования.

Предлагаемый метод определения влагосодержания позволит проводить экспресс-диагностику масла на месте, без предварительного взятия проб и проведения химического анализа в специальной лаборатории. Благодаря дифференциальному датчику диагностика влагосодержания может проводиться несколько раз в минуту. Такой мониторинг позволит вовремя выявлять превышение содержания воды в масле.

Создание аппаратно-программного комплекса (АПК) и его применение позволит решать задачи повышения безаварийности и эффективности энергетических установок. В условиях рыночной экономики это является сопутствующим фактором снижения затрат на производство электроэнергии. По статистическим данным [3] количество всех вынужденных простоев турбоагрегатов на электростанциях России, происходящих вследствие выхода из строя подшипников, узлов и агрегатов гидравлических систем основного и вспомогательного оборудования, работающих на турбинном масле, доходит до 30-40%.

Турбинные масла являются жидким диэлектриком, диэлектрическая проницаемость масла 8 ~ 2,2.

Влияние температуры на результат измерения отсутствует, так как в АПК используется дифференциальный датчик.

Соответственно, исследуемое турбинное масло будет обладать большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул воды в единице объема.

а) б)

Рис.2. Микрофотографии проб масел: а) масло в состоянии поставки, б) обводненное масло.

Таким образом, при измерении диэлектрической проницаемости масел с частичным обводнением значение 8 будет больше в сравнении с табличным значением диэлектрической проницаемости турбинных масел, так как для воды 8 ~ 81.

Обводненное масло не может рассматриваться как идеальный диэлектрик. Поэтому в емкостном датчике (конденсаторе), заполненном маслом, имеют место активные потери энергии, и угол сдвига фаз между током и напряжением оказывается

меньше 90°.

В соответствии с теорией электрических цепей измеряется не истинная, а кажущаяся емкость, зависящая от потерь [3].

Этот вывод оправдывает использование дифференциального датчика для измерения влагосодержания турбинного масла.

Датчик типа «ЭЛИМ-1», был разработан группой специалистов, патент №2471178.

Датчик представляет собой моноблочную конструкцию (рисунок 4), состоящую из блока питания 1, электронного блока 3 и двух идентичных коаксиальных электродных узлов (измерительный узел 4 и "эталонный" узел 5), помещаемых в контролируемую среду. "Эталонные" электроды размещены в герметичном объеме, заполненном "сухим" (в состоянии поставки) турбинным маслом. Измерительные электроды контактируют с контролируемой средой.

На блоке питания 1 размещены питающий соединитель "Х1" и измерительный соединитель "Х2" для подключения питающей и контрольной линий связи.

Принцип действия датчика основан на использовании электроимпульсного метода.

В электронном блоке 3 вырабатывается последовательность зондирующих импульсов специальной формы, подаваемая на электродные узлы (емкостные датчики). После прохождения импульсами электродных узлов и дифференциального каскада, схема выделяет сигналы рассогласования (информационные сигналы), амплитуда которых пропорциональна значению влагосодержания в контролируемом масле.

Информационные сигналы при пороге срабатывания достигают определенной амплитуды ипор и в выходных цепях электронного блока трансформируются в выходной сигнал. Порог срабатывания датчика можно настраивать, по умолчанию порог установлен 50 г/т [5].

Для создания математической модели измерения обычно используются аналитические и экспериментальные методы. В связи с тем, что в данном измерении использован косвенный метод, очевидным является построение модели вида:

■=п ¿=п—1 к=п ¿=п

Г = а0 + Х (аг ' X ) 'X X (ак ' X ■ Хк ) + Х (аг ' X2)

¿=1 ¿=1 к=■+1 ¿=1

где У - выходной параметр анализатора;

X, хк - параметры, характеризующие технологический процесс;

а0, а, ал , ай- постоянные коэффициенты, подлежащие определению. ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, № 4(9) 2013

Рис. 3. Датчик «ЭЛИМ-1»

1 - блок питания;

2 - корпус;

3 - электронный блок;

4 - измерительный электрод;

5 - «эталонный» электрод;

6 - гайка.

Аналитическую модель необходимо иметь, так как она дает возможность ориентировочно оценить чувствительность метода к измеряемому свойству и, следовательно, сформулировать требования по минимизации зависимостей от влияющих факторов [3].

Работа над аппаратно-программным комплексом на основе пороговых датчиков экспресс-контроля типа «ЭЛИМ-1» разделена по следующим направлениям:

- разработка структурной и функциональной схем;

- разработка принципиальной схемы;

- разработка и выпуск программного обеспечения, схемной и конструкторской документации на опытный образец;

- изготовление, настройка датчиков;

- лабораторные испытания опытного образца;

- сертификация.

Структурная схема узлов АПК представлена на рисунке 4. К маслованнам всех агрегатов АЭС подключены датчики типа «ЭЛИМ-1», выходной сигнал которых поступает на коммутирующее устройство (КУ). Так как максимальное расстояние от датчика до исполнительного устройства без искажения сигнала достигает 45 метров [5], а использование одного КУ может усложнить подключение всех датчиков, то используется связка каждого датчика с КУ.

В КУ сигнал преобразуется в цифровой вид и транслируется по кабелю связи до многоканальной системы сбора данных, которая может находиться на расстоянии до 100 метров от КУ.

Многоканальная система сбора данных (ССД) соединяется с ЭВМ по интерфейсу USB. Используя связующее программное обеспечение, данные со всех каналов приема ССД фиксируются и заносятся в электронный журнал, записи из которого извлекаются для создания различных графиков. На АЭС может быть установлено до 10 турбогенераторов, поэтому комплекс рассчитан на 10 каналов.

Рис. 4. Структурная схема узлов АПК

Для того чтобы наглядно отразить процессы, протекающие в АПК, была построена функциональная схема, которая показана на рисунке 5.

Приведем краткое описание схемы. От датчика сигнал поступает на коммутирующее устройство (КУ), в КУ сигнал проходит через схему защиты (СЗ),

усилитель, последовательно соединенных фильтров верхних частот (ФВЧ) и нижних частот (ФНЧ), оба фильтра пропускают сигнал в заданной полосе. Устройство выборки и хранения (УВХ) обеспечивает фиксацию напряжения, для правильной работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Далее цифровой сигнал поступает на один из входов многоканальной системы сбора данных (ССД) с параллельным сбором данных. ССД состоит из микроконтроллера (МК), блока сопряжения с ЭВМ (USB), буферного усилителя (БУ), стабилизатора напряжения (СН), а также из источника опорного напряжения (ИОН), переключателя каналов. Также в схему входят ключ (К), кварцевый резонатор (КР) и индикатор работы системы (ИРС).

Маслованна №1

Маслованна №2

ипит ±48 В

—1 т_т

Датчик «ЭЛИМ-1» №1

X2

ипит ±48В

J_L

Датчик «ЭЛИМ-1» №2

X2

Маслованна №10

ипит ±48В

J_L

Датчик «ЭЛИМ-1» №10

X2

Шина данных до 45 м

КУ №1

Усилитель СЗ

У

ФВЧ/ФНЧ УВХ

АЦП ->■ out

Шина данных до 100 м

Многоканальная ССД

Переключатель ~ каналов

ИОН

■ USB -

ЭВМ

USB

СН

ИРС

Рис. 5. Функциональная схема узлов АПК

По мнению специалистов, занимающихся проблемами эксплуатации турбинных масел [3], существующая система контроля не позволяет реально оценить качество масла, так как основывается на ежесуточном визуальном контроле и только в случае визуальной видимости шлама или воды делается химический анализ. По мере старения масло темнеет, визуальный осмотр становится затруднителен и принятие мер по очистке масла и предотвращению его обводнения запаздывает.

Таким образом, чтобы вовремя определять обводнение масла контроль должен быть постоянным. Это возможно только с помощью автоматической системы непрерывного контроля влагосодержания масла.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 7822-75 Масла нефтяные. Метод определения растворенной воды [Текст].

2. РД ЭО 1.1.2.05.0444-2009 Требования к эксплуатации, организации и проведению испытаний трансформаторных и турбинных масел на атомных станциях [Текст].

3. Гвоздев, В.С. Обводнение турбинного масла и средства контроля и защиты его от влаги на турбогенераторах ТЭС : дис. канд. техн. наук [Текст] / В.С. Гвоздев - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2003. - 156 с.

4. Берлинер, М.А. Измерения влажности [Текст] / М.А. Берлинер. - М. : «Энергия», 1973. - 399 с.

5. СЛПВ421552.001РЭ. Руководство по эксплуатации датчика «ЭЛИМ-1» [Текст]. - ООО «СНИЛЭП», 2006. - 20 с.

Hardware-Software System for Moisture Content Operational Determination in Aggregates NPS Turbine Oil

K.S. Sidorov, V.V. Shaposhnikov

Snezhinsk Physisc-Technical Institute the Branch of National Nuclear Research University MEPhI 8 Komsomolsk st., Snezhinsk city, Cheliabinsk reg. 456776 e-mail: sfti@mephi.ru

Abstract - This work considers the problem of increasing moisture content in turbine oils on NPPs' aggregates. The authors've proposed a rapid diagnosis method of oils, which is based on the differential type sensor as "ELIM-1." The issue also describes the principle of sensor operation, derives a dielectric constant mathematical model of the heterogeneous system in "water-oil". Moreover there is the design of a functional circuit complex operational definition of moisture oil turbine.

Keywords: nuclear power plants units, turbines, turbine oil, high moisture content oil, dielectric constant, rapid oils diagnosis, differential sensor, hardware and software system.