автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Система диагностирования теплообменных аппаратов

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

1.1. Особенности эксплуатации объекта диагностирования.

1.2. Анализ методов и технических средств диагностирования конструкций теплообменных аппаратов.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ.

2.1. Характер взаимодействия внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов с обтекающим потоком.

2.2. Связь параметров виброакустического сигнала с техническим состоянием внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов.

2.3. Диагностическая модель внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов.

Выводы.

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ВНУТРИКОРПУСНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

3.1. Конечно-элементная модель внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов.

3.2. Экспериментальная установка для изучения вибраций внутрикорпусных устройств.

3.3. Аппаратура и схема регистрации виброакустических сигналов.

3.4. Основные параметры регистрации виброакустических сигналов и способы повышения их информативности.

3.5.Оценка точности измерения собственных частот внутрикорпусных устройств.

3.6. Результаты экспериментальных исследований.

Выводы.

4. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВНУТРИКОРПУСНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

4.1. Описание автоматизированной системы.

4.2. Особенности промышленных испытаний автоматизированной системы.

Выводы.

В энергетической отрасли теплообменное оборудование является важным элементом технологических систем, предназначенных для обеспечения нормальных условий эксплуатации энергетических установок, их безопасности и утилизации тепловой энергии. Неисправности и отказы, возникающие в процессе эксплуатации этого оборудования в составе энергоблоков ТЭС и, особенно АС, приводят к снижению безопасности и большим экономическим потерям, связанным с длительными сроками проведения ремонтно-восстановительных работ.

В результате проведенного анализа надёжности отечественных теплообменных аппаратов, авторами: Ю.М. Бродовым, Р. С. Резниковой, Г.И. Красновой установлено, что порядка 70% отказов обусловлено эрозионно-коррозионным износом и, порядка, 25% отказов вызвано вибрационными повреждениями элементов внутрикорпусных устройств (ВКУ). Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных энергоблоков АС показывает, что наиболее тяжёлые последствия аварий вызваны вибрационными повреждениями элементов ВКУ, которые возникают вследствие гидродинамического воздействия на них потоков теплоносителя.

Проблема обеспечения и поддержания на всех этапах жизненного цикла энергоблоков проектного уровня вибрационной надёжности теплообменного оборудования до настоящего времени остаётся весьма острой. Актуальность этой проблемы существенно возрастает по мере завершения энергоблоками АС установленных сроков службы. По данным концерна «Росэнергоатом» за период 2001-2010 г.г. в России завершают установленный срок службы, порядка 2 5 энергоблоков АС.

Один из наиболее эффективных путей решения этой проблемы является создание и внедрение на действующих энергоблоках ТЭС и, в первую очередь, на энергоблоках АС, систем оперативного диагностирования, позволяющих осуществлять на режимах эксплуатации теплообменного оборудования контроль вибрационного состояния и регистрацию моментов проявления ранних стадий вибрационных повреждений элементов ВКУ. Под оперативным диагностированием понимают диагностирование в процессе выполнения контролируемым оборудованием заданных функций, при этом для постановки диагноза не требуется останов оборудования. Своевременное получение диагностической информации позволит исключить вероятность появления исходного события (единичный отказ теплообменного оборудования, следствием которого является неплановый (аварийный) останов энергоблока) по причине вибрационного повреждения ВКУ и обеспечить целевые ремонт и техническое обслуживание этого оборудования по их фактическому техническому состоянию.

В настоящее время, как в России, так и за рубежом, в качестве основных методов выявления вибрационных повреждений элементов ВКУ применяются методы неразрушающего контроля, реализация которых в условиях АС и ТЭС предполагает необходимость перевода теплообменного оборудования в состояние планового ремонта. Анализ состояния с внедрением систем оперативной диагностики на действующих энергоблоках АС, выполненный центром неразрушающего контроля и диагностики (ЦНКиД «Диапром») показывает, что существующие системы оперативной виброшумовой диагностики используют в качестве критерия оценки технического состояния оборудования рост амплитуды виброакустического сигнала, что является малоинформативным признаком и в реальных производственных условиях может привести с постановке ошибочного диагноза.

В связи с этим, актуальной является задача разработки и внедрения в практику эксплуатации энергоблоков АС и ТЭС системы оперативной технической диагностики ВКУ теплообменных аппаратов более чувствительной к изменению их технического состояния.

Насущная потребность создания и внедрения на действующих энергоблоках АС подобных систем нашла своё отражение в решении концерна «Росэнергоатом» об утверждении отраслевой программы «Создание и ввод в промышленную эксплуатацию в период 2003-2010 г. г. на действующих энергоблоках АС систем оперативной диагностики».

При выполнении исследований для построения диагностических моделей элементов теплообменных аппаратов применены методы математического моделирования, обработка экспериментальных данных выполнялась с помощью методов математической статистики и спектральных методов анализа процессов, экспериментальные исследования проводились с применением цифровой информационно-измерительной системы.

Целью настоящей работы является поддержание на всех этапах жизненного цикла энергоблока проектного уровня вибрационной надёжности внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов, методами и средствами оперативного технического диагностирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать характер взаимодействия внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов с обтекающим потоком для определения физических принципов их диагностирования;

2) исследовать характеристики связи параметров виброакустического сигнала с техническим состоянием внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов;

3) разработать диагностическую модель внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов, теоретически и экспериментально подтвердить ее корректность;

4) исследовать параметры регистрации виброакустического сигнала и способы повышения его информативности;

5) исследовать экспериментально виброакустические характеристики конструкций теплообменных аппаратов их моделей в условиях гидродинамических воздействий;

6) разработать структуру и довести до уровня аппаратной реализации систему диагностирования конструкций теплообменных аппаратов.

Новизна настоящей работы заключается в использовании спектрального метода виброакустической диагностики реализуемого автоматизированным комплексом технических средств для оперативного контроля за состоянием конструкций теплообменных аппаратов. При этом, в реальных производственных условиях оценка состояния теплообменников может быть осуществлена сопоставлением максимумов спектральных характеристик измеренных виброакустических сигналов со значениями собственных частот конструкции рассчитанных по математической модели.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и

Основные результаты, полученные в работе можно сформулировать следующим образом:

1. Вибрационные повреждения являются одной из основных причин выхода из строя теплообменного оборудования. Существующие штатные методики не решают задачи оперативного контроля технического состояния теплообменников, в связи с чем актуальной становится задача разработки метода и системы оперативной диагностики конструкций теплообменников.

2. Существующая практика использования в качестве диагностического признака превышение уровня вибраций внутрикорпусных устройств над пороговым значением является малоэффективной из-за значительного влияния производственных шумов. Проведенными исследованиями установлена целесообразность построения диагностических систем на основе анализа конфигурации спектров измеряемых сигналов.

3. Расчетными и экспериментальными исследованиями установлена взаимосвязь характеристик гидродинамически возбуждаемых вибраций конструкций теплообменных аппаратов с параметрами виброакустических сигналов, которые могут быть измерены с помощью современной информационно-измерительной системы.

4. Колебательные процессы элементов теплообменного оборудования, возникающие при его эксплуатации, могут быть описаны с помощью дифференциальных уравнений второго порядка, учитывающих механические свойства конструкции, ее конструктивные особенности, а также влияние характеристик обтекающей среды.

5. Исследование виброакустического сигнала, как набора гармонических составляющих, позволяет использовать в качестве диагностического признака смещение максимума спектральной характеристики под влиянием изменения состояния конструкции в процессе ее разрушения.

6. Относительная погрешность измерения спектральных характеристик виброакустического сигнала в значительной степени зависит от ошибок регистрации и сбора данных, а также от ошибки обработки временного сигнала для представления его в частотной области. Установлено, что для обеспечения достаточной точности оценки спектра

10%, число осредняемых участков должно быть >100. оср

7. Разработан вариант мобильной автоматизированной системы оперативного диагностирования внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов, обеспечивающей функции получения, сбора, накопления, обработки и представления диагностической информации. Испытания разработанной системы в промышленных условиях показали ее достаточную эффективность при выявлении таких дефектов теплообменных аппаратов как ослабление узлов крепления внутрикорпусных устройств, что дает основания рекомендовать разработанную систему для внедрения в промышленности.

Заключение

В рамках выполненной работы решены следующие задачи:

1) исследован характер взаимодействия внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов с обтекающим потоком, определены физические принципы их диагностирования;

2) исследованы характеристики связи параметров виброакустического сигнала с техническим состоянием внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов;

3) разработана диагностическую модель внутрикорпусных устройств теплообменных аппаратов, теоретически и экспериментально подтверждена ее корректность;

4) исследованы параметры регистрации виброакустического сигнала и способы повышения его информативности;

5) экспериментально исследованы виброакустические характеристики конструкций теплообменных аппаратов и их моделей в условиях гидродинамических воздействий;

6) разработана структура и доведена до уровня аппаратной реализации автоматизированная система диагностирования конструкций теплообменных аппаратов.

1. Федорович Е.Д., Фокин B.C., Гольдберг Е.Н. Вибрации элементов оборудования ЯЭУ.-М.: Энергоатомиздат, 1989.- 70 с.

2. Бродов Ю.М., Резникова Р.С., Краснова Г.И., Чайка

3. A.И. Анализ показателей надежности теплообменных аппаратов турбоустановок ТЭС // Энергомашиностроение. 1982.№11.

4. Махутов Н.А., Каплунов С.М., Прусс JI.B. Вибронадежность элементов оборудования в энергомашиностроении // Машиноведение.1982.№2.- с. 6877 .

5. Фокин Б.С., Аксельрод А.Ф. Аварии на зарубежных АЭС, вызванные вибрационными повреждения оборудования / / Энергомашиностроение. 1985. №8.- с.37-40.

6. Савельев Р.З., Бродов Ю.М., Плотников П.Н., Ниренштейн М.А. Оценка вибрационной надежности трубных систем теплообменных аппаратов систем регенерации низкого давления серийных турбоустановок ТЭС и АЭС.- Труды ЦКТИ, 1989.- 56 с.

7. Бродов Ю.М., Пермяков В.А., Купцов В.К., Плотников П.Н. Вибронадежность теплообменных аппаратов турбоустановок ТЭС и АЭС.- Труды ЦКТИ, 1983.- 45 с.

8. Фокин Б.С., Гольдберг Е.Н., Аксельрод А.Ф., Игнатьева

9. B.JI. Влияние гидродинамических характеристик потока на вибрации элементов теплообменного оборудования. Труды ЦКТИ, 1985.- 35 с.

10. Махутов Н.А., Каплунов С.М., Прусс JI.B. Вибрация и долговечность судового энергетического оборудования.-JI.: Судостроение, 1985.- с.5-18.

11. Федоров В.Г., Синявский В.Ф. Основные вопросы обоснования вибропрочности внутрикорпусных устройств парогенераторов и реакторов АЭС / / Динамические характеристики и колебания элементов энергетического оборудования. -М.: Наука, 1980.- с.72-80.

12. Фокин Б.С., Аксельрод А.Ф. Расчет вибрационной устойчивости труб вертикального парогенератора // Энергомашиностроение. 1985. №3.- с.2.

13. Чижевская О.М., Савельев Р.З., Пермяков В.А., Бродов Ю.М. Определение частоты собственных колебаний труб теплообменных аппаратов // Энергомашиностроение. 1976. №9.- с.6-7.

14. Аксельрод А.Ф., Фокин B.C. Экспериментальная отработка и расчет вибрационной устойчивости труб вертикального парогенератора // Энергомашиностроение, 1985.№3.- с.2-4.

15. Петров В.П., Заикина В.М. Расчет на вибрацию конденсационных установок с помощью ЭВМ // Энергомашиностроение. 197 3.№6.

16. Самарин А. А. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. -М.:1. Энергия, 1979.- 288 с.

17. Савченко В.А. Некоторые концептуальные вопросы управления сроком службы российских энергоблоков АЭС // Теплоэнергетика. 2000. №5,- с. 2-8.

18. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. -Л.: Изд. Центр СПбГМТУ, 2000.- 169 с.

19. Уевер Д.С., Шнайдер В. Влияние полосовых опор на вибрации U-образных трубок теплообменников, вызываемые поперечным потоком. 4-е изд., - Труды американского общества инженеров-механиков, 1983.- 65 с.

20. Пугачев А.К. "Метод вибродиагностики привода системы управления и защиты реактора АЭС": Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. Защищена в 19 90 г.

21. Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении.- Л.: Машиностроение, 1977.- 208 с.

22. Генкин М.Д., Соколова А. Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов.- М. : Машиностроние, 1987.- 288 с.

23. Малых Ю.Б. Вибромониторинг и вибродиагностикамашинного оборудования // Тяжелое машиностроение. 1993. №7. с. 36-38.

24. Абагян А.А. , Дмитриев В.М., Клебанов Л.А., Крошилин А.Е., Ларин Е.П., Морозов с.к. Система контроля и диагностики режимов работы энергоблока АЭС // Атомная энергия, Т.63, Вып. 5, ноябрь 1987.- с. 311-315 .

25. Аникин Г.Г., Павелко В. И. Опыт внедрения систем вибродиагностики оборудования на АЭС с ВВЭР 440 // Теплоэнергетика. 1999. №6.- с. 12-17.

26. Адаменков К.А., Пугачев А. К. Получение диагностической информации при анализе огибающей виброакустического сигнала. В кн. : Вибрационная техника. М.: МДНТП, 1987.- с. 67-71.

27. Соколова А. Г. Методы и средства технической диагностики.- М.: 1981. Сер.: 10-5. Вып.1.- 39 с.

28. Pettigrew M.G., Sylvestre Y., Campagna А.О.

29. Flow-induced vibration analysis of heat exchanger and steam generator design / / Trans.4th1.t.Conf.Structural Mechanics in Reactor Technology.-San-Francisco, 1977.Paper F 6/1.- p.1-12.

30. Stokes F.E., King R.A.PWR fuel assembly dynamic characteristics // Vibration in Nuclear Plants, int.Conf.Keswick.197 8.Vol.I.Sess.1.- p.27-45.

31. Калинушкин A.E., Митин В.И., Семченко Ю.М. Системы контроля и диагностики с анализом "шумов" на реакторах LWR // Атомная техника за рубежом. 19 90. №6.- с. 3-8.

32. Фокин B.C., Гольдберг Е.Н. Исследование вибрационных характеристик трубного пучка вертикального парогенератора насыщенного пара. Труды ЦКТИ, 1982.- 74 с.

33. Купцов В.К., Бродов Ю.М., Плотников П.Н., Пермяков В.А. Экспериментальное исследование частоты собственных колебаний трубных пучков теплообменных аппаратов турбоустановок / / Энергомашиностроение. 1978.№9.- с.39-40.

34. Муратова Т.М. Вибрации в ядерных реакторах (обзор).М.: Информзнерго, 1973.- 75 с.

35. Абагян А.А., Дмитриев В.М. Система контроля и диагностики режимов энергоблока АЭС // Атомная энергия, 1987.

36. Бендат ДЖ. , Пирсол А. Изменение и анализ случайных процессов,- М.: Мир, 1974,- 464 с.

37. Цикин И. А. Дискретно-аналоговая обработка сигналов.- М.: Радио и связь, 1982.- 160 с.

38. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник в 2-х книгах / Под ред. В. В. Клюева.- М.: Машиностроение, 1978.

39. Теплообменное оборудование паротурбинных установок: Отраслевой каталог. -М.: 1989.- 108 с.

40. Котов Ю.В., Кротов B.JT., Филиппов Г.А. Оборудование атомных электростанций. -М.: Машиностроение, 1982.- 376 с.

41. Плотников П.Н., Купцов В.К., Бродов Ю.М., Пермяков В.А. Исследование характера опирания труб в промежуточных перегородках конденсаторов и других теплообменных ' турбоустановок. Труды ЦКТИ, 1982.113 с.

42. Смирнов JI.B., Овчинников В.Ф. Колебания элементов конструкции ЯЭУ, вызванные потоком теплоносителя // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Динамика ЯЭУ.-197 5.Вып.2 (8).- с.3-22.

43. Жукаускас А., Улинскас Р., Катинас В. Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб. Вильнюс: Мокслас, 1984.- 312 с.

44. Федоров В.Г., Ляшенко В.В., Соколов А. С. Исследование вибрации трубных пучков парогенераторов АЭС БН-350 и БН-600 // Динамические характеристики и колебания элементов энергетического оборудования. М.: Наука, 1980.- с.72-80.

45. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках.- М.: Наука, 1982.

46. Каплунов С.М., Тестов И.Н., Гойхман JI.B., Певзнер Б. А. Исследование гидродинамическиххарактеристик экспериментального модельного стенда // Динамические деформации в энергетическомоборудовании. М.: Наука, 1978.- с. 90-101.

47. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. -JI. : Наука, 1998.- 255 с.

48. Баранов В.М. Акустические измерения в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат , 1990.- 319 с.

49. Абрамов В.В, Гусаков А.А., Каплунов С.М. Динамические напряжения и деформации в элементах энергетического оборудования. М.: 1997. -27 с.

50. Стекольников В.В, Федоров В.П., Ляшенко В.В. Исследование колебаний кассет АРК / / Динамические деформации в элементах энергетического оборудования. М.: Наука, 1987.- с.85-89.

51. Кутателадзе С.С.Анализ подобия в теплофизике. Новосибирск: Наука, 1982.- 280 с.

52. Елжов Ю.Н. Нелинейная модель сейсмических колебаний грузоподъемных кранов: Диссертация. Волгодонск.: ВИ НГТУ, 1998.

53. Бродов Ю.М., Савельев Р.З., Пермяков В.А., Купцов В.К., и Ниренштейн М.А. Исследование уровня вибрации конденсирующих теплообменных аппаратов турбоустановок в условиях эксплуатации // Энергомашиностроение. 1977.№9.- с.8-10.

54. Математика и САПР. Основные методы. Теория полюсов. Книга 1. под ред. Д.ф-м.н. Н.Г. Волкова. -М. : Мир, 1988.- 206 с.

55. Нори Д., Ж.Де Фриз. Введение в метод конечных элементов. -М.: Мир, 1981.- 304 с.

56. Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений./ Под ред. В.А. Постнова. -JI.: Судостроение, 1979.- 288 с.

57. Алиев Т.А. Экспериментальный анализ. -М.: Машиностроение, 1991.- 272 с.

58. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. -М.: Высшая школа, 1989.- 62 3 с.

59. Гоок С.Э. Экспериментальная установка для отработки методики диагностирования теплообменных аппаратов. Новые материалы, приборы и технологии: Сб.науч.тр. / Волгодонский ин-т; Новочерк.гос.техн.ун-т.- Новочеркасск: Набла, 1998.-с. 77-81.

60. Цеханский К.Р, Васильева Р. В. Высокотемпературные пьезоэлектрические акселерометры // Динамические характеристики и колебания элементов энергетического оборудования. -М.: Наука, 1980.-с.115-123.

61. Изотов С.В., Матвеев В.П., Финкель Б.М. Датчики систем оперативной диагностики для АЭС с реакторами ВВЭР // Теплоэнергетика. 1999. №6.- с.33-37.

62. Глинченко А. С. Цифровая обработка сигналов: В 2 ч. Ч. 1. Красноярск: Изд КГТУ. 2001. 199 с.

63. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. -М.: Мир, 1983.- 312 с.

64. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. -JI.: Энергоатомиздат, 1986.- 256 с.

65. Очков В.Ф. Mathcad 7 Pro для студентов и инженеров. -М.: КомпьютерПресс, 1998.- 384 е., ил.153

66. Рандалл Р. Б. Частотный анализ. Ларсен и сын. Глоструп. Дания. 1989.- 200 с.

67. Кунце У., Штрайхер В. Диагностика на атомных электростанциях СНГ // Атомная техника за рубежом. 1994. №9.- с. 3-6.

68. Шварцман В.О., Емельянов Г. А. Теория передачи дискретной информации. -М.: Связь, 1979.

69. Петровский А. А. Методы и микропроцессорные средства обработки широкополосных и быстропротекающих процессов в реальном времени.- Минск: Наука и техника, 1988.

70. Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов: Справочник / М.С. Куприянов Б.Д. Матюшкин и др. -СПб.: Наука и техника, 2000.