CC BY
103
УДК 621.18-78+621.18.08
МЕТОДОЛОГИЯ И СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ КОТЛОВ
© 2013 г. Г.И. Жуков, В.Н. Лаптев, Ю.Ф. Лосев, В.Б. Надлер, С.В. Лаптев, А.А. Федулов, М.Ю. Сербиновский
Открытое акционерное общество Public Joint Stock Company
«Энергомашиностроительный Альянс», EnergoMashinostroitelny Alliance,
г. Таганрог Taganrog
Описаны методология и функции автоматизированной системы технической диагностики, разработанной в ОАО «ЭМАльянс» и внедряемой на паровых котлах тепловых электрических станций, результаты анализа типичных повреждений и выбор элементов конструкции котла - объектов мониторинга, способ оценки остаточного ресурса основных элементов котла, разработка структуры и состава системы. Система обеспечивает удаленный мониторинг состояния паровых котлов, позволяет производить расчет остаточного ресурса их элементов, работающих под давлением, следить за динамикой изменения напряжений, отслеживать процесс образования и накопления повреждений, определять места локализации кластеров трещин; формировать информацию о состоянии элементов котлов как базы для планирования сервисных и ремонтных работ. Определены направления совершенствования системы и перспективы её расширенного внедрения.
Ключевые слова: автоматизированная система; техническая диагностика; паровой котел; остаточные ресурс; элементы, работающие под давлением; локализация кластеров трещин; состояние элементов котлов.
This document deals with the description of the methodology and functions of the Boiler Automated Technical Diagnostic System developed at PJSC EMAlliance and installed on steam boilers at thermal power plants, results of the analysis of the typical failures and selection of the boiler design parts - monitoring objects, evaluation method of the residual life of the boiler major parts, and development of the System structure and composition. The System provides remote monitoring of the steam boiler condition, allows calculating the residual life of their pressure parts, monitoring the stress time history, monitoring the formation and damage accumulation process, locating crack clusters; composing information on the boiler part condition, as the basis for planning service and repair works. The System improvement trends and prospects for its extensive implementation have been defined.
Keywords: automated system; technical diagnostics; steam boiler; the residual resource; the elements working under pressure; localization of clusters cracks; the state of the elements of boil.
Потребность в создании автоматизированных систем диагностики, позволяющих осуществлять мониторинг состояния энергетического оборудования, в том числе паровых котлов, была осознана в СССР к концу 70-х гг. прошлого века. Несмотря на бесспорную актуальность их разработки и внедрения, до настоящего времени в России нет полномасштабных автоматизированных систем диагностирования котлов, работающих в режиме удаленного мониторинга. Существующие системы ограничены по функциям систем и диагностируемым элементам [1].
Разработки автоматизированной системы технической диагностики котла (АСТДК) велись с середины 90-х гг. сначала в ОАО «ТКЗ "Красный котельщик"», а затем ОАО «ЭМАльянс». Активизировалась разработка системы весной 2010 г. после решений II Международной Уральской научно-практической конференции «Обеспечение надежности тепломеханического оборудования в условиях длительной эксплуатации» [2]. Однако реальные перспективы реали-
зации проекта обозначились после решения руководства ОАО «ЭМАльянс» о внедрении рабочего варианта АСТДК двух котлов-утилизаторов блоков ПГУ-800 Киришской ГРЭС за счет средств компании.
Актуальность разработки и внедрения АСТДК вызвана авариями длительно эксплуатируемых котлов и тем, что при наличии такой системы аварий можно избежать за счет принятия превентивных мер в конкретных местах, выбранных с помощью АСТДК. Потенциальные заказчики АСТДК - промышленные предприятия и тепловые электростанции, вводящие в действие новые котлы, элементы конструкций которых работают при высоких температурах и давлениях воды и пара в условиях сжигания жидких, газообразных и твердых топлив и их смесей.
Практически все повреждения элементов конструкций, работающих под давлением, происходят по истечении определенного и достаточно большого периода времени. Современный анализ факторов позволяет с высокой достоверностью определить коли-
чественное влияние на этот процесс условий и параметров нагружения, если они фиксируются во времени в режиме мониторинга. Подобный анализ, сформа-тированный в автоматизированную систему технической диагностики котла, выходит за рамки профессиональной деятельности и квалификации персонала ТЭС, но результаты этого анализа, полученные специалистами фирмы-изготовителя, представляют значительный интерес для эксплуатационников.
В связи с вышесказанным АСТДК создавалась для непрерывного удаленного мониторинга состояния паровых котлов.
Основные цели создания АСТДК:
1. Прогноз надежности работы оборудования, сокращение количества аварийных остановов, оптимизация планирования ремонтов.
2. Исключение из практики эксплуатации режимов, приводящих к ускоренному сокращению ресурса элементов котла, благодаря информированию эксплуатационного персонала электростанции о таких режимах.
3. Выдача эксплуатационному персоналу электростанции рекомендаций по оптимальным параметрам переходных режимов работы оборудования, исключение необоснованных с точки зрения влияния на ресурс ограничений по скоростям прогрева (расхолаживания).
4. Обеспечение возможности:
- своевременного реагирования на изменение условий эксплуатации путем корректировки режимных карт;
- поддержания на оптимальном уровне технико-экономических и экологических показателей работы оборудования в межремонтный период;
- принятия обоснованных решений о целесообразности проведения реконструкций и модернизаций в течение срока его службы.
Инструментами в достижении целей создания и внедрения АСТДК являются: 1) выделение в качестве объектов анализа элементов конструкций, о повреждениях которых накоплены многолетние достоверные сведения; 2) оснащение указанных элементов дополнительными средствами измерения, адаптированными к математической системе предполагаемой обработки информации; 3) организация сбора, первичной обработки и передачи в центр обработки (ОАО «ЭМАльянс») необходимого объема данных; 4) обеспечение оперативной передачи сводных результатов анализа персоналу электростанции.
На основании многолетнего опыта работы в тепловой энергетике ОАО «ЭМАльянс» провел анализ всех элементов котла, работающих под давлением, выделил основные возникающие в них повреждения и сформировал следующие группы типовых повреждений: 1) повреждения барабанов и других узлов контура циркуляции, связанные с коррозионно-усталост-ным механизмом образования и роста трещин, например образование в зоне внутренних кромок отверстий трещин обусловлено как механическими и температурными напряжениями, так и коррозионным влиянием котловой воды; 2) повреждения выходных змееви-
ков пароперегревателя: продольные трещины на внешней образующей гиба как результат выбегов температуры; 3) повреждения необогреваемых труб в результате выбега температуры: продольные трещины на внешней поверхности гиба и на внутренней поверхности нейтральной образующей гиба. Соответственно, на первом этапе диагностируются три группы элементов: 1) барабан (барабаны при групповом диагностировании котлов) и коллекторы; 2) выходные змеевики пароперегревателя; 3) перепускные необог-реваемые трубы пароперегревателя. Система сбора информации включает штатный КИП АСУ ТП и дополнена устройствами ввода/вывода для подключения дополнительных датчиков температуры, тензорези-сторов и преобразователей акустической эмиссии.
Комплекс технических средств АСТДК включает: размещенную на электростанции систему сбора информации, её первичной обработки, архивирования и передачи информации о параметрах работы котла по сети Интернет на сервер АСТДК; расположенную в ОАО «ЭМАльянс» систему обработки результатов (сервер АСТДК); распределенную систему представления информации и формирования отчетов. На ТЭС размещается диагностический контроллер системы мониторинга (ДКСМ), который соединен с АСУ ТП физическим каналом передачи данных и организует первичную обработку и передачу данных от АСУ ТП котла (или котлов) и сервером АСТДК. Осуществлена программная организация ОРС HDA-сервера технологических данных для передачи их в ДКСМ и организация передачи данных на сервер АСТДК в ОАО «ЭМАльянс» для их обработки и анализа [3]. На рисунке показана структура АСТДК.
Как указано выше, диагностический контроллер системы мониторинга установлен на электростанции и предназначен для сбора информации о технологических процессах на котле от АСУ ТП котла или нескольких котлов, их первичной обработки с последующей передачей информации через сеть Интернет на сервер АСТДК в ОАО «ЭМАльянс».
Сервер АСТДК в ОАО «ЭМАльянс» является центральным звеном системы и служит для сбора, обработки и анализа информации, поступающей от ДКСМ разных котлов и разных станций, хранения информации и результатов её обработки, выполнения запросов результатов обработки данных от клиентов АСТДК. В ходе обработки и анализа информации производится: расчет напряжений, в том числе, максимальных напряжений в зонах концентрации напряжений; выявление образовавшихся микротрещин и их координат; контроль кластеров трещин с учетом динамики их формирования и развития; расчет остаточного ресурса диагностируемых элементов котла; формирование различных протоколов результатов расчета и их анализа, а также сопутствующих таблиц, диаграмм и трендовых зависимостей. Доступ к серверу АСТДК обеспечивается с рабочих станций инженеров-технологов в пределах локальной сети ОАО «ЭМАльянс». Возможен также удаленный доступ через web-интерфейс.
Структура автоматизированной системы технической диагностики котла ОАО «ЭМАльянс»
В АСТДК принят расчетный метод, базирующийся на нормативных документах, используемых при проектировании котлов и оценки их состояния, проверенный всем ходом котлостроения и эксплуатации котельного оборудования. Метод основан на оперативном контроле эксплуатационных параметров оборудования, включая контроль температурных режимов элементов пароводяного тракта котла, регистрации и анализе «выбегов», анализе интенсивности исчерпания ресурса и накопления ползучести. Расчет максимальных напряжений в металле выбранных элементов диагностики проводится для зон концентрации напряжений. Для характерных точек этих зон ведется постоянный контроль уровня напряжений и величины исчерпания ресурса. Используемый в АСТДК метод расчета ресурса защищен патентом РФ № 2206024 [4].
В результате непрерывного измерения эксплуатационных параметров с учетом конкретных конструктивных данных изготовленного котла появляется возможность рассчитать действующие напряжения, в том числе от циклических нагружений: основных циклов; микроциклов, связанных со сбросами - подъемами нагрузки; пульсаций давлений и температур, особенно в процессе пусков из холодного состояния; циклов гидравлических испытаний.
Составляющая накопления повреждаемости от ползучести подсчитывается как сумма повреждаемости в каждом периоде действия «высоких» температур в соответствии с нормами расчета на прочность, причем расчетная температура берется по результатам прямых измерений.
Циклическая составляющая находится как максимальное значение снижения ресурса для всех вариантов сочетаний «давление, температура, скорость изменения температуры» в районе каждого экстремума напряжений в каждом элементе.
Расчет суммарной повреждаемости ведется по методу линейного суммирования. Остаточный ресурс определяется как разница между остаточным ресурсом на момент, предшествующий вычислению, - начало последнего цикла и суммарной повреждаемостью от последнего цикла.
Параллельно с расчетами напряжений в зонах их концентрации производятся тензоизмерения в точках, максимально приближенных к этим зонам. Необходимо отметить, что установка тензорезисторов точно в местах максимальных напряжений в зонах их концентрации для элементов работающего котла практически невозможна, поэтому тензорезисторы устанавливаются в доступных заданных точках вблизи максимумов напряжений, а предварительно на масштабной
модели и с помощью расчетов по методу конечных элементов устанавливаются коэффициенты перехода от результатов измерения в точках установки тензоре-зисторов к напряжениям в недоступных точках максимальных напряжений. Кроме этого, барабан высокого давления и коллекторы пароперегревателей снабжаются волноводами с присоединительными элементами для установки преобразователей акустической эмиссии. Потребность в применении волноводов связана с высокой температурой контролируемых элементов конструкции, их длина определяется температурой поверхности в месте приварки волновода, толщиной теплоизоляции и верхним пределом рабочей температуры преобразователя. Оптимальное расположение преобразователей на барабане и коллекторах определяется по экспериментальным данным, полученным на масштабной модели барабана и реальных коллекторов. Таким образом, реализуется возможность отслеживать процесс образования и накопления микротрещин и определять места локализации кластеров трещин.
Таким образом, система обеспечивает удаленный мониторинг состояния паровых котлов и позволяет: 1) производить расчет остаточного ресурса их элементов, работающих под давлением [4]; 2) следить за динамикой изменения напряжений, в том числе максимальных напряжений в зонах их концентрации; 3) отслеживать процесс образования и накопления повреждений (микротрещин); 4) определять места локализации кластеров трещин; 5) формировать информацию о состоянии элементов котлов как базы для планирования сервисных и ремонтных работ. Для конкретизации реального распределения напряжений, возникающих в критических местах, а также для мониторинга процесса начала образования трещин и его развития, устанавливаются соответствующие системы тензоизмерений и акустической эмиссии.
В целом процесс использования АСТДК для основных целей разделен на три этапа: первый - для барабанов: фиксация контролируемых параметров на всех этапах нагружения; для труб: фиксация реальной функции изменения температуры во времени, реальной продолжительности «выбегов» температуры; второй - для барабанов: расчет действующих напряжений с учетом температурных, как функции скорости изменения температуры, определение доли снижения ресурса в процессе регистрируемого цикла; для труб - расчет действующих местных напряжений с учетом распределения напряжений в двух зонах овального сечения каждого анализируемого гиба; определение доли снижения ресурса в результате малоцикловой усталости и ползучести за регистрируемый период, для барабанов и труб - выявление динамики образования микротрещин и их кластеров; третий - анализ накопленной поврежденности по элементам (как расчетной, так и зафиксированной акустической эмиссией); определение роли режимных факторов в темпах накопления поврежденности; разработка и формулирование информации для эксплуатации.
В рамках программы планирования сервисного обслуживания котлов ежемесячно Заказчику предполагается передавать следующую информацию: 1) объем накопленного снижения ресурса по каждому диагностируемому объекту за прошедший месяц (период) и с момента начала работы АСТДК; 2) реестр режимов за прошедший месяц (период), при которых потеря ресурса каждого из объектов оказалась максимальной; 3) предупреждения об увеличении степени износа за отчетный месяц (период) по сравнению со средним значением за последние 12 месяцев; 4) предупреждение о прогнозируемом сроке 50 %-го износа какого-либо узла, после чего служба эксплуатации должна провести техническое диагностирование этого узла. Такое диагностирование должно проводиться силами или при участии ОАО «ЭМАльянс» для возможности корректировки элементов расчета путем учета конкретных факторов эксплуатации.
В настоящее время в ОАО «ЭМАльянс» осуществляется внедрение АСТДК для двух котлов-утилизаторов блоков ПГУ-800 Киришской ГРЭС. На X Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2010 г. разработка «Автоматизированная система технической диагностики котла (АСТДК)» отмечена золотой медалью.
Перспективы и дальнейшее совершенствование АСТДК связаны с: 1) созданием базы и реализацией программы для комплектации автоматизированными системами диагностики всех котлов, разрабатываемых в ОАО «ЭМАльянс» и изготавливаемых в ОАО ТКЗ «Красный Котельщик»; 2) дальнейшей взаимной интеграцией АСТДК и АСУ ТП, а в перспективе и с системой «Умный котел»; 3) расширением диагностируемых в режиме мониторинга элементов и видов диагностирования. В качестве элементов диагностирования в перспективе рассматриваются: все поверхности нагрева котла (диагностирование течей и опасных повреждений, отложений, изменение толщины стенки труб); паропровод острого пара; система топ-ливоподачи (диагностирование качества и количества угольного топлива и соотношения топливо/воздух). Предполагается также проводить мониторинг качества котловой воды (водно-химического режима) с расширенным определением вредных примесей, например, ионов меди.
Выводы
1. Впервые в отечественной практике разработана цельная, достаточно полная автоматизированная система технической диагностики котлов, готовая к расширенному внедрению на новых котлах.
2. Разработаны математический аппарат, структура АСТДК и конструкции дополнительных отборных устройств.
3. Определены перспективы и пути совершенствования АСТДК, включающие расширение диагностируемых объектов и видов мониторинга.
4. Ведутся работы по внедрению рабочего варианта АСТДК на двух котлах-утилизаторах блоков ПГУ-800 Киришской ГРЭС и созданию рабочих станций инженеров-технологов в ИЦ ОАО «ЭМАльянс».
Литература
1. Автоматизированная система технической диагностики поверхностей нагрева котла «АСТД ПНК» // http:// wwwxkti.ru/print:diagnostic.html, http://ckti.ru/kotust1.html (дата обращения: 17.09.2012).
Поступила в редакцию
2. Обеспечение надежности тепломеханического оборудования в условиях длительной эксплуатации: материалы II междунар. Уральской науч.-практ. конф. Челябинск, 1721 мая 2010 г. Челябинск, 2010. С. 216 - 217.
3. Жуков Г.И., Лосев Ю.Ф., Надлер В.Б., Лаптев С.В., Фе-дулов А.А., Сербиновский М.Ю. АСТДК - Автоматизированная система технической диагностики котла // Оптимизация и повышение эффективности работы ТЭС за счет внедрения АСУТП. Опыт внедрения и эксплуатации систем автоматического управления: сб. тр. Второй междунар. науч.-тех. конф. Москва, 17-18 апреля 2012 г. М., 2012. С. 91 - 97.
4. Пат. 2206024 РФ МКИ7 Б22Б37/38 Способ длительного непрерывного автоматического определения остаточного ресурса элементов котла, работающих под давлением.
6 ноября 2012 г.
Жуков Геннадий Иванович - заместитель генерального директора, ОАО «ЭМАльянс» по инжинирингу. Тел. (8634)34-29-51. E-mail: Zhukov_GI@tgn.em-alliance.com
Лаптев Владимир Николаевич - директор Инжинирингового Центра ОАО «ЭМАльянс». Тел. (8634) 34-29-51. E-mail: Laptev_VN@tgn. em-alliance. com
Лосев Юрий Федорович - заместитель директора Инжинирингового Центра ОАО «ЭМАльянс» по НИР, начальник КИНП. Тел. (8634)34-29-76. E-mail: Losev_YF@tgn.em-alliance.com
Надлер Владимир Борисович - канд. техн. наук, заведующий сектором прочности Отдела диагностики и стендовых испытаний Инжинирингового Центра ОАО «ЭМАльянс». Тел. (8634) 34-29-51. E-mail: Nadler_VB@tgn.em-alliance.com
Лаптев Сергей Владимирович - канд. техн. наук, начальник отдела АСУ ТП Инжинирингового Центра ОАО «ЭМАльянс». Тел. (8634) 34-29-51 доб. 30-17. E-mail: Laptev_SV@tgn.em-alliance.com
Федулов Андрей Анатольевич - ведущий специалист отдела АСУ ТП Инжинирингового Центра ОАО «ЭМАльянс». Тел. (8634) 34-29-51 доб. 30-83. E-mail: Fedulov_AA@tgn.em-alliance.com
Сербиновский Михаил Юрьевич - д-р техн. наук, ведущий специалист сектора прочности Отдела диагностики и стендовых испытаний Инжинирингового Центра ОАО «ЭМАльянс». Тел. (8634) 34-29-51 доб. 43-18. Email: Serbinovskij_MJ@tgn.em-alliance.com , serb-m@mail.ru
Zhukov Gennady Ivanovich - Deputy General Director of PJSC EMAlliance for Engineering, PJSC EnergoMashinos-troitelny Alliance (PJSC EMAlliance). Ph. (8634)34-29-51. E-mail: Zhukov_GI@tgn.em-alliance.com
Laptev Vladimir Nikolaevich - Director of the Engineering Centre of PJSC EMAlliance. Ph. 8634) 34-29-51. E-mail: Laptev_VN@tgn. em-alliance. com
Losev Yury Fyodorovich - Deputy Director of the Engineering Centre of PJSC EMAlliance for scientific research, Chief of KINP. Ph. (8634)34-29-76. E-mail: Losev_YF@tgn.em-alliance.com
Nadler Vladimir Borisovich - Candidate of Technical Sciences, Head of Section Head, Division of Diagnostic and durability test bench Engineering Centre of PJSC EMAlliance. Ph. (8634) 34-29-51. E-mail: Nadler_VB@tgn.em-alliance.com
Laptev Sergey Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, Chief of Automated Control Systems Process Engineering Centre of PJSC EMAlliance. Ph. (8634) 34-29-51 доб. 30-17. E-mail: Laptev_SV@tgn.em-alliance.com .
Fedulov Andrey Anatolevich - Leading specialist of the Automated Control Systems Process Engineering Centre of PJSC EMAlliance. Ph. (8634) 34-29-51. E-mail: Fedulov_AA@tgn.em-alliance.com
Serbinovskij Mikhail Yurevich - Leading specialist of the Department of Diagnostic and durability test bench Engineering Centre of PJSC EMAlliance. Ph. (8634) 34-29-51 доб. 43-18. E-mail: Serbinovskij_MJ@tgn.em-alliance.com, serb-m@mail.ru_
