Алгоритмы диагностики неполадок теплообменных аппаратов паротурбинных установок

Шарифуллин В.Н., Шарифуллин А.В., Гатауллин И.Ф.

АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИКИ НЕПОЛАДОК ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Составлена диагностическая таблица основных неполадок конденсатора паротурбинной установки с указанием основных их признаков и причин, а также математических методов их диагностики. Разработан общий алгоритм диагностики неполадок оборудования. Усовершенствован способ диагностики отложений на теплообменной поверхности методом параметрической идентификации.

Ключевые слова: паротурбинная установка, неполадки диагностика, теплообменный аппарат.

Раннее обнаружение и диагностика неполадок оборудования необходимы для предотвращения внезапных и опасных остановок производства, повреждений оборудования и несчастных случаев с персоналом. Разработка автоматизированных систем диагностики неполадок (АСДН) оправдана в случаях сложного и опасного производства, использования дорогостоящего и высокопроизводительного оборудования. Эта система в режиме реального времени сможет контролировать истинное состояние оборудования, обнаруживать зарождающуюся неисправность, устанавливать причину неудовлетворительной работы и рекомендовать определенные действия по их устранению.

Общие принципы построения систем диагностики неполадок процессов, а также применяемые при этом математические методы изложены в работе [1]. Для теплообменных аппаратов паротурбинной установки концепция построения автоматизированных систем диагностики рассмотрена в работах [2; 3]. Однако в этих работах предполагается, что основой диагностики неполадок оборудования являются экспертные системы. Данная работа посвящена разработке детерминированных алгоритмов диагностики неполадок теплообменных аппаратов паротурбинных установок, которые призваны повысить их точность.

Теплообменные аппараты паротурбинных установок оказывают существенное влияние как на работу этих установок, так и эффективность тепловой станции в целом. Например, неполадки в работе конденсаторов, подогревателей низкого и высокого давлений, сетевых подогревателей являются причинами снижения эффективности турбоустановок и в отдельных случаях могут привести к останову энергоблока. По своей

конструкции и принципу действия теплообменные аппараты паротурбинной установки во многом схожи, поэтому дальнейший анализ будет проводиться на примере наиболее важного из них - конденсатора. Основными неполадками конденсатора являются засорение трубок, образование солевых и биологических отложений на их поверхности, коррозия и механические повреждения трубок, неисправности эжектора, повышенная вибрация. Для некоторых из них в работе [4] приведены данные по частотам неполадок.

В данной работе составлена диагностическая таблица основных неполадок конденсаторов с указанием основных их признаков и причин, а также методов их диагностики (таблица 1). При указании основных признаков неполадок использованы следующие обозначения: АР - перепад давления для потока воды; Кт - средний коэффициент теплопередачи в аппарате; ТХ - температура охлаждающей воды на выходе аппарата; PK - давление в паровом пространстве (на всасе эжектора); I, Ж - солесо-держание или жесткость конденсата; рН2 - концентрация растворенного водорода; Ев - концентрация железа в конденсате или охлаждающей воде; ВХР - водно-химический режим. Верхний индекс в обозначениях параметров «0» означает заданное значение параметра.

Таблица 1. Диагностическая таблица основных неполадок конденсаторов

Вид неполадки Основные признаки Основные причины Мат. методы диагностики

1. Отложения на внутренней поверхности трубок АР>АР0 КТ<КТ0 TX>TX0 PK>PK0 Нарушения ВХР Параметрическая идентификация модели теплообменника

2. Нарушение целостности трубок Z> Z0 Ж>Ж0 Разрыв трубок, коррозия Проверка гипотез, материальные балансы

3. Внутренняя коррозия pH2>pH20 Fe>Fe0 рО2>рО20 Нарушения ВХР Проверка гипотез, довер. интервалы

4. Слабый отсос воздуха из аппарата PK>PK0 G< 00 Присосы воздуха и неисправность эжектора Материальные и тепловые балансы

5. Ослабление креплений аппарата Повышенная вибрация Нарушение креплений Методы корреляционного и спектрального анализов

Основными входными параметрами системы диагностики неполадок и неисправностей конденсатора должны стать непрерывные или периодические измерения следующих параметров: давления в паровом пространстве конденсатора в месте отсоса паровоздушной смеси РК,

расхода отсасываемого воздуха О, результаты контроля парового конденсата на выходе из аппарата по содержанию в нем солей 2, железа Ре, растворенного водорода рН2 и кислорода рО2. Алгоритм диагностики неисправностей конденсатора будет состоять их нескольких взаимосвязанных алгоритмических блоков. Рассмотрим общий алгоритм диагностики неполадок и неисправностей для блока, входными параметрами которого являются давление парового пространства и расход отсасываемого воздуха (рис.1). Причинами превышения давления в конденсаторе по сравнению с нормальным состоянием могут быть либо увеличенный подсос воздуха, либо снижение работоспособности эжектора вследствие его неисправности, либо неполная конденсация паров вследствие образования отложений.

Рис. 1. Блок-схема общего алгоритма диагностики неполадок

Путем анализов указанных в схеме параметров можно обнаружить устройство с неполадкой, а соответствующая подсистема АСДН установит конкретные количественные характеристики неполадки. В качестве примера ниже рассматривается методика диагностики отложений на поверхности трубок конденсатора методом параметрической идентификации.

Одним из основных признаков образования отложений на поверхности теплообменников является факт снижения коэффициента теплопередачи. С помощью этого параметра можно не только обнаружить непо-

ладку, но также определить величину отложений и скорость их нарастания, что важно для планирования соответствующих ремонтных работ. Толщина отложений на поверхности трубок 6 связана с текущим значением коэффициента теплопередачи Кт следующей зависимостью:

времени и на чистой поверхности; Я - коэффициент теплопроводности отложений.

Следовательно, основная задача системы диагностики отложений сводится к периодическому определению величины коэффициента теплопередачи. Эта задача относится к классу задач параметрической идентификации. Такая задача для теплообменников рассматривалась ранее в работах [5-7], однако в этих работах оценка значения коэффициента теплопередачи проводилась по одной экспериментальной точке, что значительно снижает точность прогноза.

В данной работе задача параметрической идентификации формулируется как одно- и многокритериальная задачи минимизации ошибки расчета, что значительно повышает точность в определении параметров. Для решения этой задачи используются математическая модель процесса и необходимые экспериментальные данные.

Текущее значение коэффициента теплопередачи определяется из условия минимизации отклонений экспериментальных и расчетных температур. В качестве критериев рассогласования Я можно использовать сумму квадратов отклонений (метод наименьших квадратов) или максимальный модуль (метод минимакса) отклонений расчетных температур от экспериментальных Т е^.

Число экспериментальных точек п должно быть значительно больше числа определяемых параметров. Такой подход минимизирует влияние случайных ошибок измерения на точность диагностики. Расчетные температуры в условиях (2-3) определяются из статической или динамической математических моделей теплообменника, состоящих из уравнений теплового баланса с учетом кинетики теплопередачи и структуры

где Кт, - значения коэффициентов теплопередачи в текущий момент

Я = Я (Кт) = Е?=1(7* - Тед2 -» пип И = Я(КТ) = тах\Т1 — Те^ -» тип

потоков. При этом можно использовать модели любой сложности. Тип используемой модели зависит от типа экспериментальных данных. Статические данные представляют собой экспериментальные зависимости рабочей температуры охлаждающей воды от каких-то входных параметров, например, от ее расхода Те = Ге(И^). Это означает, что необходимо собрать данные нескольких стационарных режимов. Расчетные значения температур определяются по уравнению теплового баланса хладоагента. При условии идеального вытеснения потока воды в трубках модель имеет следующий вид:

м = Юг

М ШсРр к к " ’ 4 ’

Однако получение статических характеристик в условиях действующего аппарата является крайне затруднительным. Гораздо проще получить кривые переходного режима и воспользоваться динамической моделью процесса. Динамическая модель трубчатого теплообменника описывается системой уравнений теплового баланса в частных производных. Однако при допущении об идеальном смешении потока воды динамическая модель конденсатора значительно упрощается и будет иметь следующий вид:

УсРр ^ = УГсРр

где 1У, сР, р - объемный расход, теплоемкость и плотность хладоагента; Т°, Т, Тк - температуры холодного потоков и конденсата на входе и выходе конденсатора; F - поверхность теплопередачи; Кт - коэффициент теплопередачи, V, Ь - объем и длина трубного пространства аппарата.

В итоге с помощью математической модели исходная задача диагностики преобразуется в математическую задачу оптимизации, которая успешно решается современными средствами [4]. Для определения значения текущего коэффициента теплопередачи с помощью задачи (2-5) необходимо провести измерения четырех параметров: 1) расхода охлаждающей воды V/, 2) ее температуры на входе Т° и 3) выходе аппарата Т, 4) температуры парового конденсата Тк. Для решения этой задачи идентификации были разработаны соответствующие алгоритмы и программы.

Для повышения точности диагностики можно задачу параметрической идентификации поставить как задачу многокритериальной оптими-

зации, при этом минимизируется не один, а одновременно несколько критериев рассогласования эксперимента и расчета, например, критерии (2-3), модуль отклонения и т.д. Это позволяет уменьшить ошибку в определении коэффициента теплопередачи. Такая методика была разработана нами и изложена в работе [8].

С помощью модели (4-5) рассчитывается только усредненная толщина отложений. В действительности же отложения в трубчатых теплообменниках могут быть распределенными по длине 5=5(Ь), это касается чаще всего конденсаторов и паровых подогревателей. Для идентификации такой функции необходимы экспериментальные и расчетные температуры, распределенные по длине и времени Т=Т(ЬД). Получить такие экспериментальные данные для трубчатых аппаратов очень трудно, поскольку во многих конструкциях кожухотрубчатых теплообменников не предусмотрены распределенные точки измерений температуры в трубном или межтрубном пространствах. Однако в некоторых секционных теплообменниках типа «труба в трубе» имеются такие точки измерения температур в каждой секции и появляется возможность определения распределения отложений по секциям.

Решение рассмотренной выше задачи диагностики отложений позволяет определить не только текущую толщину отложений 5, но также среднюю скорость их роста г и время достижения опасной величины отложений 3 *:

Идентифицированное значение коэффициента теплопередачи может быть использовано в системе АСУТП, а расчетная толщина отложений - как возмущение в автоматизированной системе управления воднохимическим режимом (АСУ ВХР) конденсатора.

Для примера был рассмотрен конкретный теплообменник, получена экспериментальная кривая переходного процесса по выходной температуре хладоагента Т = Г(£) при ступенчатом изменении расхода охлаждающей воды. Идентификация коэффициента теплопередачи производилась по условию (2), расчетная переходная функция рассчитывалась по уравнению (5), толщина отложений по формуле (1). Результаты расчета близки к действительным толщинам отложений на внутренней стороне трубок, измеренным после вскрытия теплообменника.

Таким образом, предлагаемые методики диагностики неполадок конденсатора дают уверенное обнаружение неполадки на ранней стадии ее развития, а оценка количественных характеристик неполадки позволяет обоснованно планировать мероприятия по ее устранению.

Источники

1. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах. Л.: Химия, 1983. 352 с.

2. Бродов Ю.М., АронсонК.Э., НиренштейнМ.А. Концепция системы диагностики конденсационной установки паровой турбины // Теплоэнергетика. 1997. №7. С. 34-38.

3. Хает С.И., Аронсон К.Э. и др. Разработка и апробация элементов системы мониторинга состояния и диагностики конденсатора паровой турбины // Теплоэнергетика. 2003. №7. С. 67-69.

4. Плотников П.Н., Бродов Ю.М. Комплексный анализ показателей надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок // Теплоэнергетика. 2007. №2. С. 45-48.

5. Трухний А.Д., Зайчиков Н.А., Ломакин Б.В., Седов И.В. Информационно-диагностическая система контроля подогревателей сетевой воды турбоустановки Е-250/300-240 // Теплоэнергетика. 1998, №1.

6. Орбис-Дияс С., Адамова М.А. Диагностика технического состояния теплообменных аппаратов по параметрам эксплуатации//Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. №8. С. 51-52.

7. Герасимов В.П., Грачев В.Ф., Мизинцев А.В., Плотников Ю.И., Федоришин Ю.М. Диагностирование теплообменных аппаратов нефтегазовой промышленности по динамическим характеристикам // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2004. №3. С. 40-43.

8. Шарифуллин В.Н. Комплексная диагностика неполадок теплообменника методом параметрической идентификации // Приборы и системы. Контроль, диагностика, управление. 2010. №3. С. 51-54.

Зарегистрирована 14.12.2011.