автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики оценки технического состояния статорной обмотки турбогенераторов с непосредственным охлаждением в эксплуатационных режимах

московский энергетический институт

На правах рукописи

аль мусауй алад мевд

разработка №ТОД1Ш оценки технического состояния статорной обмотки турбогенераторов с непосредственным охяаедении в эксплуатационных рееимах

Специальность' 05.14.02 -

Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедре электрические станции Московского энергетртеского института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент ИКУРИН А.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

ЦВЕТКОВ В.А.,

кандидат технических наук, доцент АБРАМКИН Ю.В.

Ведущее предприятие - ЦКБ Энергоремонт

Защита диссертации состоится " II " декабря_1992 г.

в аудитории Г-201 в 17 час. 30 мин, на заседании специализированного Совета К 053.16.17 в Московском энергетическом институте по адресу: 105835, ГСП, Москва Е-250, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_" _1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета К 053.16.17

кандидат технических наук, доцонт

БАРАБАНОВ Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие электроэнергетики привело к внедрению в эксплуатацию синхронных генераторов большой мощности, что обусловливает повышение требовагай к эффективности их эксплуатации.

Ущерб- от вынужденного простоя современного турбогенератора в течение 2-3 месяцев соизмерим с его первоначальной стоимостью даже при отсутствии недоотпуска электроэнергии потребителям.

Обеспечению высокой надежности турбогенератора служит комплекс мер, применяемых на стадиях его проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации. Устранение скрытых дефектов на стадии приработки генератора, система технического обслуживания, включающая комплекс диагностических и планово-профилактических мер снижаот до минимума вероятность отказов на генераторе в процессе его эксплуатации. В свою очередь диагностика тесно связана с методами идентификации технического состояния генераторов в эксплуатационных режимах, разработка и внедрение которых является, важной и актуальной задачей. Составной частью этой проблемы является вопрос оценки (прогнозирования) технического состояния машины по результатам наблюдения за её техническим состоянием в процессе эксплуатации.

Результаты решения этой задачи могут быть использованы в АСУТП при организации ремонтных работ и оптимизации режима работы энергоблока.

Целью работы является развитие систем диагностики генераторов энергоблоков путем разработки методики оценки технического состояния статорной обмотки турбогенераторов в эксплуатационных режимах.

В соответствии с указанной целью основные задачи диссертационной работы заключаются в следующем:

- разработать модель теплового состояния обмотки статора для прогнозной оценки остаточного срока службы изоляции с учетом основных влияющих на техническое состояние изоляции факторов;

- разработать алгоритм прогноза остаточного ресурса изоляцют статорной обмотки при вариации режимов генератора;,

- разработать методику прогнозной оценки для практического применешм в эксплуатационных условиях.

Методика исследования. В работе используются:

- методы творил вероятностей, математической статистики;

- методы расчетов электромагнитных цепей;

- методы расчетов электрических цепей;

- методы теплового расчета электрических машин.

На защиту выносятся:

- модель теплового состояния обмотки статора генератора для прогнозной оценки остаточного ресурса изоляции;

- алгоритм и программный комплекс расчета теплового состояния паза статора турбогенератора с непосредственным охлаждением с учетом вариации режимных параметров;

- метод оценки остаточного ресурса изоляции статорной обмотки и его прогноза;

- методика прогнозной оценки технического состояния изоляции в эксплуатационных условиях.

Научная новизна.

1. В диссертации на основе экспериментальных данных получено аналитическое выражение процесса старения-термореактивной изоляции обмоток статора турбогенераторов с учётом температуры пазовой части статора и напряженности электрического поля.

2. Получена модель теплового состояния пазовой части статора, позволящая рассчитывать температуру в 13 точках паза с учетом переменного характера режима генератора.

3. На основе положений теории надежности разработана методика оценки остаточного ресурса пазовой изоляции статора с учетом переменного графика работы генератора.

Практическая ценность.

1. Разработан алгоритм и программный комплекс расчета теплового состояния турбогенератора при различных эксплуатационных режимах.

2. Доказано, что показания датчика в пазу не отражают макси мальную температуру изоляции статора.

3. Разработана практическая методика прогнозной оценки технического состояния изоляции в эксплуатационных условиях.

4. Разработан метод оценки остаточного ресурса для внедрени в АСУТЛ энергоблока.

Апробация работы. Материалы диссертации отражены в отчете по хоздоговорной НИР с Сургутской ГРЭС-2 и доложены на двух нау1; ио-технических семинарах: в марте 1992 г. на Сургутской ГРЭС-2 у

сентября 1992 г. на кафедре Электрические станции.

Объем работы. Диссертационная работа общим объемом 136 стр. состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 56 наименований, приложений, содержит 26 рис. и 8 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы обеспечения технического состояния турбогенераторов в эксплуатационных режимах, определено направление диссертации - оценка технического состояния изоляции статорных обмоток турбогенераторов под воздействием влияющих эксплуатационных факторов, определение остаточного ресурса генератора.

В первой главе проведен анализ существующего положения в области эксплуатации статорной изоляции генераторов и определены основные направления разработки методики сценки технического состояния изоляции й рассмотрены условия возникновения дефектов изоляции под влиянием воздействующих факт оров.

Проведенный обзор методик оценки технического состояния изоляции обмотки статора показал, что наиболее широко применяются:

- методы контроля диэлектрических характеристик под напряжением,

- электрические методы измерения частичных разрядов,

- методы контроля охлаждающих сред на содержание в них продуктов теплового разложения изоляции.

Кроме того используется применение ультразвуковых волн для дефектоскопии электрической изоляции стершей в процессе эксплуатации машины. Ряд методов требует дополнительных устройств,устанавливаемых непосредственно в месте контроля изоляции и в силу этого потенциально снижающих надепгость объекта контроля.

Дня диагностического контроля эксплуатационного состояния статора фирм ВИС предусматривает статистическую обработку всей эксплуатационной информации о проведенных ранее осмотрах и испытаниях -однотипных генераторов.

Большой информативностью обладают испытания, что в спою очередь вызвали появление целого ряда тестовых методов контрспя изоляции. Анапиз дефектов изоляции показывает, что наиболее влипшим

воздействием является тепловое. Однако комплексный подход к оценке состояния изоляцш, предложенный Дмитриевским B.C. на сегодняшний день не"получил достаточного развития для практического его приме нения.

В результате проведенного обзорного анализа в области эксплуатации изоляции статорных обмоток генераторов и существующих разработок по оценке её технического состояния, в диссертации выдвигаются на решение следующие основные задачи:

1. Разработка модели для прогнозной оценки срока службы ста-торной обмотки турбогенератора с комплексным учетом основных влияющих на техническое состояние изоляции факторов.

2. Определение влияния эксплуатационных режимов генератора на срок службы изоляции.

3. Разработка прогноза срока службы изоляции.

4. Разработка инженерной методики прогнозной оценки для поактического применения в эксплуатационных условиях.

Во второй главе разработаны тепловые модели генераторов с непосредственным охлаждением для прогнозной оценки технического состояния обмотки статора в эксплуатационных режимах.

Контроль теплового состояния в эксплуатации осуществляется с помощью датчиков. Однако показания датчиков не могут использоваться при оценке технического состояния изоляции статорной обмотки в связи с тем, что эти показания не отражают максимальные температуры в материале изоляции паза статора.

Для расчета температур в пазу генератора принят метод эквивалентных тепловых схем замещения. Такая методика нашла применение в исследованиях, проводимых в ЛГОО "Электросила" и ЦКБ Энергоремонт". Она предполагает аналогию теплового потока с электрическим током и основанную на единой форме уравнения теплообмена:

p. J) •Sep лв ав а электрического тока

е Ъ

где Зср _ средняя площадь теплопередащгй поверхности; Л -коэффициент теплопроводности; && - падение температуры на длине ¿Г ;

■/^Л - тепловое сопротивление данного участка пути теплового потока; N. - удельная электрическая проводимость; д1? - разность потенциалов на длине проводника в с сечением 5Л ; - электрическое сопротивление.

Основные допущения метода эквивалентных тепловых схем замещения, позволяющие применить к нему хорошо разработанную теорию элзк-трических цепей, следующие:

- машина представляется в виде системы однородных тел, связи между которыми определяются видом и условиями теплообмена.

- тела имеют возможно простую геометрическую форму, в пределах размеров которой условия нагрева - охлаццения остаются постоянными. В плоскости сиг.:мзтрил каждого тела устанавливается узел, с ним соединяются сопротивления теплообмена с другим телами, причем сосредоточенные эквивалентные тепловые сопротивления, заменяющие действительные распределительные предполагаются не зависящими от величины теплового потока; в узлы вводятся потери, возникающие в данной части электрической машины. Таким образом действительные распределительные источники тепла заменяются сосредоточенными.

Тепловой расчет сводится к расчету средних температур всех узлов машины. Для упрощения решения полагаем, что в продольном сечении течение тепла отсутствует, это позволяет рассматривать плоскую задачу в поперечном сечении машины; в поперечном сечении обмотки превышения температуры отдельных проводников равны в среднем превышению температуры в данном сечении.

Так как тепловые сопротивления, определяемые через параметры среды, зависят от температуры, то при расчете по методу эквивалентных тепловых схем замощения задаются ориентировочными значениями температур, по которым определяют все теплотехнические пар !-метры материалов и охлаэдающей среды.

Для расчета теплового состояния, составляем тепловую охот/у замещения паза статора турбогенератора с непосредственным охлаждением (рис. I), схема состоит из 13 узлов, в котором нохно рассчитать температуры.

Дня опродолония температуры в узлах в устзновизсгскся рски/ч решаем систему уравнений

РисЛ Тепловая схема замещения паза статора турбогенератора

I

*а > £ ' i - £)■i - s"k ■в»i *f ч

' к - ж - ± )-s'° к - t - f

' % 'f

^ ' £ ' 17 ; - - ^ - i=Jf **

где 0f-<?/5 - температуры в узлах; - - тепловые сопротивления

между узлами; 7} -Т7 - температуры охлаждающего газа в радиальных каналах; -Т^ - температуры дистиллята;/?, Р« Р5- Р^ - теп-

лозцделешш в узлах. '

Для расчета температур в узлах разработаны программы ТЕРК. Блок-схема представлена на рис. 2. При расчете ввод исходных данных разделяется на две части: первая часть это геометрические данные исследуемого турбогенератора (они сохра'мются в отдельном блоке) , вторая часть - это данные о репиме работы турбогенератора, которые вводятся при запросе.

Определение температуры в узлах с учетом подогрева охлаждающего газа в каналах, приводится катодом итерации. Количество ите-ращш зависит от заданно»! погрешности расчета.

С помощью разработанной программы были рассчитаны температуры в узлах паза статора генератора ТВВ-165-2 в зависимости от активной мощности и от параметров охлаждающих сред (рис. 3).

Для проверки адекватности тепловой модели турбогенераторов с непосредственным охлаждением использовались результаты тепловых испытаний турбогенератора ТБВ-165-2, проведенных на Навоинской ГРЭС.Для условий испытаний были проведены тепловые расчеты, результаты которых совпали с результатами испытаний.

В третьей главе разработана методика оценки остаточного ресурса изоляции статорной обмотки генератора с непосредственным охлаждением на основе экспериментальных данных.

Учитывая то, что в диссертации разработка модели старения изоляции но является основной целью исследований, поставлена задача выбора модели удовлетворяемая основным задачам диссертации.

При этом были с^ормулироьаны основные требования к модели старения изоляции статорной обмотки:

- необходимо учитывать, по возможности, все влиякщие факторы на процесс старения;

- использовать, в основном, результаты эксплуатационных наблюдений или исследований модельных образцов элементов статорных обмоток;

- учесть вероятностны.'! характер развития дефектов в изоляц1гл;

- получить аналитическое выражешш "кривой жизни" изоляции статорной обмотки турбогенераторов в виде

. г. V»'-/»-

I Вбод исходных данных :

I — ксмстоукти^ыо параметры | ггьрбсгенсратсря • I пора.-етры тур! ¿Ьгеквроггооз • /О !/, / ,

I

¿^-•онного процесса Л В

В$сд тепло£ои сза*'?

Прос&ение значений температуры в семы Замещения " в у г

Л"О

1£г

1

□

\рс\м?роЗ /^л-'с'ртоб конструкции £*сд х >3 тп ■} ■

—$„ - П/Ющйдь Пов£Зк,1ССТ>и ; 6К - толщина участку

Вос счет Ту

¿Ъсчст счлг?«ор#&х потерь 6 генераторе Л

Расчет теп/к£ь>х сопсотоА^е^О сме -м & / за^есц ? НОЙ А;

"1

Расчет п<уг>ерб <5 отдельных уз/*ах сх&лгь' Замещения А

Озрмирабание матриц теплоВых прободи-м?стеа 1///9; | и узловых ЛОТ,ерь \ />< )

Реи.^иС Сисгпегч саа8*е*ии

\1/ЯЛ л ел 1

ъеъадо* Гаусса О^ре^е^е^е те^лер^^ур 3 расчет**'* точках, паза статора <9

I

! О^е^ха разности расчетах температур 1 на аду* г/ос^^ск

\_ I в: - вг'\_

' & ограничение па \ сходимости ит$эоцио*кого процесса при расчету те ера т ур

■-"-е^^лв/

| ОР'ОС рггь'.'Ьтэпэ |

Рис. 2 Блок-схема тепловой модели

Рис. 3 Температура в расчетных узлах паза статора ТВВ-165 в зависимости от режимных параметров

где 2* - срок службы изоляции в эксплуатационном реглме; 0 - температура изоляции; ¿? - напряженность поля; б" - механическая напряженность; о^уЗ, коэфЬщ-лекти физико-хпиическьх хараую-ристпк изоляции.

Для получения коэффициентов ?[> с/у? у* обрабатываются оезуль-таты исследований с лег.эдыэ метода накмоньиих квадратов слепумг.п образом.

4 = 2 (£>г То +Г5:-

¿=1 ^

л - тСп

Эл. =о ' = О - Эл - л ■ г

3 результате обработки результатов испытаний модель:; стогрр-пых обмоток с термореективной изоляцигй, которые подвергались термоэлектрическим нагрузкам с качзственльм контролем механических напряжений, получено Тс, = 1,41-Ю8; оС = 0,0808; =0,012. Таким образом аналитическое выражение процесса старения выглядит следующим образом V = 1,41-Ю8 • £> -0,08686» -0,012£\

Предложена методика оценки старения Изоляции, при котором з расчет берутся только установившиеся нормальнее рег.пмы гзнератора в соответствии с графиком нагрузки генератора. В основе методики лежит принцип постепенности накопления разрушений в материале изоляции, что в конечном шаге приводит к ее отказу.

При этом величина, обратная времени наработки на отказ ста-торкой изоляции может рассматриваться как параметр потока

перехода из состояния полной работоспособности в начале эксплуатации машины в состояние отказа изоляции по причине выработки ресурса при условии, что генератор во время эксплуатации работал в номинальном режиме

•/у е„ом

- —— = -г— • &

СИ.О.

За полное время выработки ресурса изоляции, сум,1а вероятностей перехода из состояния в состояние образуют полную группу событий

л.

Таким образом, остаточный ресурс изоляции при текущом моменте времени вычисляется

7Г

С О. р

У - I. Л/А ¿/

Л

Получены зависимости параметра потока перехода состояния корпусной изоляции турбогенератора ТНВ-163-2 в зависимости от нагрузки, температуры охлаждающего газа и температуры охлаждающего дистиллята (рис. 4).

В четвертой главе разработана методика оценки технического состояния статорной обмотки турбогенераторов и ее использования в АСУТП энергоблоков. .

Используем результаты расчета теплового состояния обмотки статора ТВВ-165, выполненные во второй главе, приведем зависимости темпе атуры в наиболее нагретой точке от нагрузки и от параметров охлаждающих сред (рис. 5), с целью возможной комплексной оценки характера изменения режимных параметров, влияыцих на процессы в изоляции.

Предложен практически" метод определения температуры в наиболее нагрето!! точке при 'различных режимных параметрах, результаты которых имеют хорошую сходимость с результатами расчета на тепловой мо-дили. Развивая предложенный практический метод, рассмотрим способ определения параметра потока перехода состояния пазовой изоляции обмотки статора (рис. 5), содь.сщая грзср'ки зависимости параметров генератора, для оценки остаточного ресурса пазовой изоляции обмотки статора.

Проанализированы нозуо.Уностн применения методики прогнозной оценки технического состояния статорной ой.ютю; турбогенераторов п ЛСУТП энергоблоков.

Рис. 4 Зависимость параметра потока перехода состояния изоляции а- от нагрузка 5- от температуры охла-*дятего газа

генератора ТЬВ-165

----,---,-V, "/С

перехода состоянии корпусной изоляции V 2Р '.о

ТЗВ-165 при вариации реякункх параметров > + з

К о&цестанциокнай сист зме упраЗпемия

Рис.6 Обобщенная структура подсистемы диагностики, сорпяженная с АСУ ТП энергоблока

Представлена обобщенная структура подсистемы диагностики (рис. 6) комплекса электрооборудования, включонная в общую функциональную структуру АСУТП энергоблока.

Три составлащие структуры подсистемы диагностики реализуют задачу определения технического состояния электрооборудования.

Алгоритмы оперативной диагностики включаются в оперативный контур АСУТП и формируют диагностические сообщения в темпе процесса эксплуатации. Алгоритмы ранней диагностики предназначены для идентификации дефектов в оборудовании на ранеей стадии их разви-,тия.

Алгоритмы третьей группы предназначены для прогнозных оценок технического состояния оборудования при организации ремонтных работ и оптимизации режима оборудования.

Таким образом результаты диссертации позволяют проводить прогнозную оценку технического состояния статорной обмотки турбогенератора в рамках определения остаточного ресурса пазовой изоляции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации на основе экспериментальных данных получено аналитическое выражение процесса старения'термореактивной изоляции' обмоток статора турбогенераторов с учётом температуры пазовой части статора и напряженности электрического поля.

2. Получена модель теплового состояния пазовой части статора, позволяющая рассчитывать температуру в 13 точках паза с учетом переменного характера режима генератора. Результаты расчетов на модели согласуются с опытными данными тепловых испытаний турбогенератора ТВВ-165.

3. Показано, что при оценке ресурса статорной изоляции нельзя использовать показания датчиков, установленных ь пазах, так как неравномерность охлаждения пазов приводит к неравномерности распределения темпоратуры и потерь по сечению паза. Выявлена зона максимальной температуры в пазу статора. Температура в наиболее нагретой точке паза статора отличается от темпоратуры в точке расположения датчика (на примере генератора ТВВ-165-2) в номинальном режимо на 15°С.

■1. Расчетным путем получены зависимости темпоратуры в пазу

статора от параметров рекима генератора И его системы охлакдеккя. Дм турбогенератора ТВВ-165-2 изменение параметров охлаждающего • газа и дистиллята в пределах 30-60°С приводит к изменению температуры в наиболее нагретой точке пэза на 55-89°С.

5. На основа положений теории надежности разработана методика оценки остаточного ресурса пазовой изоляции статора с учетом переменного графика работы генератора.

5. Разработан алгоритм прогнозной оценки остаточного ресурса пазовой изоляции турбогенераторов при изменениях параметров режима генератора и его системы охлзгдения. Разработан ручной способ проведения оценки в эксплуатационной условиях.

7. Автором подготовлен пакет программ для ПЭНЛ, совместимее с 1Ш~компьютерами, позволяющих реализовать полученные в диссертации модели в АСУТП электростанций для целей совершенствовании эксплуатации основного оборудования и его ремонта.

Подписано к тн'чятн Л— „ л- н

11с. л. /^5 Тир, ж №0 ,дь.„

Типография .МЭИ, Крлгиок.пярмсннач, П.