СИСТЕМА И СПОСОБ МОНИТОРИНГА ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИН
SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING TURBINE LINE ELEMENTS

Изобретение относится к эндоскопическим системам, которые используются для обследования паровых турбин во время обслуживания и ремонта и при испытаниях турбин.
Из уровня техники известна эндоскопическая система для обследования газовых турбин (RU 2610973, опубл. 17.02.2017, бюл. № 5), содержащая эндоскоп и устройство обработки данных, причем эндоскоп содержит устройство записи изображений и выполнен с возможностью передачи записей изображений от устройства записи изображений изнутри газовой турбины к устройству обработки данных, выполненная с возможностью позиционирования и ориентирования в газовой турбине эндоскопа с устройством записи изображений, введенного в газовую турбину определенным образом. Во время использования эндоскопическую головку вводят в ограниченное и труднодоступное пространство и визуально направляют к объекту частотного контроля при помощи изображений, снимаемых видеокамерой при освещении от осветительного устройства. Недостатком данного технического решения является недостаточность поля зрения эндоскопической головки, вызывающая необходимость осуществления перепозиционирования эндоскопа при проведении мониторинга для полного охвата поверхностей контролируемых деталей.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство мониторинга состояния внутри турбинных узлов и деталей паровых турбин (RU 2624380, опубл. 03.07.2017, бюл. № 19), который состоит из шлюзов для обеспечения доступа без вскрытия проточных частей паровой турбины в процессе эксплуатации, как на валоповороте, так и на полном останове турбин, видеозондов, входящих в эндоскопический узел с регистратором, блока создания светового потока различной направленности, причем управляемые с пульта управления сигналы с видеозондов поступают через блок согласования коммутатора, в котором происходит усиление цифровых сигналов, поступающих в центральный компьютерный блок обработки и накопления данных, в запоминающее устройство, при этом все действия по определению места положения эндоскопического узла относительно получения данных с видеозондов согласуются с калиброванным синхродатчиком, размещенным стационарно на валу паровой турбины, который по обратной связи через центр обработки контролирует местоположение видеозондов относительно лопаточного аппарата и элементов проточной части. Главным недостатком данного технического решения является отсутствие автоматизации измерений дефектов, приводящее к снижению точности измерений вследствие человеческого фактора, влекущему за собой повышение вероятности принятия неверных решений о необходимости замены или ремонта деталей турбины.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка системы, обеспечивающей возможность автоматического мониторинга в процессе эксплуатации всех ступеней проточных частей, внутритурбинных узлов и деталей, в том числе лопаточного аппарата.
Данная задача решается заявленной группой изобретений. Первое изобретение раскрывает систему мониторинга состояния внутри турбинных узлов и деталей турбин, которая состоит из шлюзов для обеспечения доступа без вскрытия проточных частей турбины в процессе эксплуатации, как на валоповороте, так и на полном останове турбин, видеозондов, входящих в эндоскопический узел с регистратором, блока создания светового потока различной направленности, сервера, обеспечивающего прием, хранение и обработку первичных данных, данных зондирования элементов проточных частей турбины, датчика синхронизации, линий и блоков связи, видеозонд содержит многоканальную видеоголовку, представляющую собой оптико-электронное устройство, состоящее из нескольких малогабаритных видеокамер, управляемую светодиодную подсветку и структурированную подсветку, а датчик синхронизации состоит из датчика нулевого положения, представляющего собой оптический рефлекторный датчик с отражательной меткой и жестко закрепленный на валу, и датчика угла поворота, включающего в себя кодовую ленту, обернутую вокруг ротора турбины и жестко закрепленную на нем, и считывающее устройство, при этом кодирование и чтение ленты осуществляется оптико-механическим или магнитным способом, при этом код каждого углового положения является уникальным. Второе изобретение раскрывает способ мониторинга элементов проточной части турбин, который включает помещение видеозондов в проточную часть турбины, управление видеозондами для получения кадров, передача и обработка полученных данных на сервере, для анализа полученной информации на сервере содержатся данные паспортов первоначальных данных внутритурбинных узлов и деталей, параметров лопаточного аппарата по ступеням, их предельные критерии износа и повреждений, определение места положения эндоскопического узла осуществляется относительно получения данных с видеозондов, согласовывая с калиброванным датчиком синхронизации, размещенным стационарно на валу турбины, и по обратной связи через блок обработки данных контролируется местоположение видеозондов относительно лопаточного аппарата и элементов проточной части, обработка данных включает определение номера лопатки в кадре по показаниям датчика синхронизации на момент съемки, разноракурсное комплексирование изображений, полученных в процессе одной операции съемки при помощи разных каналов многоканального видеоэндоскопа, измерение отклонения формы лопатки от идеальной средствами морфологической обработки изображений с учетом масштабного коэффициента, полученного при помощи структурированной подсветки, при этом предварительно перед измерениями проводят определение соответствия между углом поворота вала и положением лопатки в кадре видеоголовки, включающее первичную калибровку, содержащую введение видеоэндоскопа в турбину на необходимую глубину и под оптимальным для съемки лопаток углом при вращении турбины при помощи валоповоротного устройства со скоростью не более 3 об/мин, осуществляя запись видеопотока за полный оборот, при этом каждый полученный кадр видеопотока маркируется синхронизационными данными, с последующим отбором снимков в наиболее подходящем положении и их сохранение для дальнейшего использования для получения синхронизированных снимков конкретных лопаток.
Техническим результатом является повышение точности диагностики, сокращение срока проведения диагностики оборудования до 1-2 недель без потери качества диагностики, что повышает надежность турбины, увеличивает срок ее службы и межремонтный период.
Заявленная система мониторинга элементов проточной части на закрытом цилиндре высокого давления (ЦВД) и цилиндре низкого давления (ЦНД) паровых турбин предназначена для определения состояния рабочих лопаток, демпферных связей и элементов крепежа без вскрытия ЦНД и ЦВД в период планово-предупредительного ремонта (ППР) и капитального ремонта (КПР) энергоблока с использованием валоповоротного устройства, повышения оперативности и качества принимаемых управленческих решений.
Основным назначением заявленной системы является автоматизация информационно-аналитической деятельности при планировании сроков и объемов ремонтов ЦВД и ЦНД по выявленным дефектам в проточной части без вскрытия ЦНД и ЦВД и устранение предпосылок аварийных ситуаций в проточной части ЦВД и ЦНД паровой турбины.
Диагностика состояния элементов внутри турбинных узлов и деталей проточных частей выполняется на закрытой турбине, как на валоповороте, так и на полном останове. Как следствие, повышение надежности проточных частей паровых турбин, продление их срока службы, увеличение межремонтного периода и планирования необходимого объема ремонтных работ с последующим прогнозом остаточного срока службы элементов проточных частей по их фактическому состоянию.
Эндоскопирование выполняется по карте осмотра с видео- и фотофиксацией внутритурбинных узлов и деталей, для последующего накопления информации и ведения сравнительного анализа. Эти функции системы могут выполняться как на полном останове паровой турбины, так и на валоповороте. Проточные части паровых турбин оснащаются специальными входными штуцерами с заглушками, которые снимаются в период проведения индикации повреждений и износа внутри турбинных узлов и деталей. Каждый канал устроен таким образом, что позволяет, производить установку оборудования эндоскопирования - гибкие, полужесткие, жесткие зонды в створе сечения ступеней паровой турбины и проводить эндоскопирование всех доступных внутритурбинных узлов и деталей паровых турбин как на полном останове, так и на валоповороте.
Система мониторинга включает каналы (шлюзы) для обеспечения доступа без вскрытия проточных частей турбины в процессе эксплуатации, как на валоповороте, так и на полном останове турбин, видеозонды, входящие в эндоскопический узел с регистратором, блок создания светового потока различной направленности, калиброванный датчик синхронизации, сервер с блоками согласования и расширения, обеспечивающий также сбор и обработку информации, линии и блоки связи.
Сервер обеспечивает прием, хранение и обработку первичных данных, данных зондирования элементов проточных частей ЦНД и ЦВД паровой турбины. Для получения данных, объективно оценивающих состояние внутритурбинных узлов и деталей паровой турбины, в базу данных вносится паспорт первоначальных данных внутритурбинных узлов и деталей, параметров лопаточного аппарата по ступеням, их предельные критерии износа и повреждений. Это позволяет при проведении эндоскопирования, проводить сравнительный анализ состояния узлов, деталей, лопаточного аппарата проточных частей паровой турбины.
Блоки согласования и расширения предназначены для ввода изображения, управления зондами, приема, преобразования и передачи сигналов от зондов и датчика синхронизации, генерации импульсов высокой частоты временной шкалы индикаций.
Видеозонды (гибкие и жесткие) предназначены для выполнения видео- и фоторегистрации состояния лопаток и демпферных связей. Видеозонды входят в эндоскопический узел, и включают в себя многоканальную видеоголовку с кабелем. Количество видеозондов в системе уточняется при проектировании системы для конкретной турбины и зависит от дистанции съемки и размеров нуждающихся в контроле областей поверхностей элементов проточной части турбины.
Многоканальная видеоголовка представляет собой оптико-электронное устройство, состоящее из нескольких малогабаритных видеокамер, устанавливаемых на общей электронной плате на определенном расстоянии друг от друга. В состав видеоголовки также включается управляемая основная светодиодная подсветка, которую можно использовать как в постоянном, так и в импульсном режиме. Помимо основной подсветки, видеоголовка включает в себя структурированную подсветку, предназначенную для определения масштабного коэффициента для различных участков получаемых изображений.
Структурированная подсветка реализуется при помощи лазерного диода и структурированного рассеивателя.
Блок создания светового потока различной направленности предназначен для получения и передачи к приемнику лучевого канала промодулированного рабочими лопатками излучения от источника непрерывного света, расположенного в видеозонде, преобразования его в электрический сигнал, усиления и передачи этого сигнала в блок сопряжения.
Датчик синхронизации предназначен для идентификации местоположения лопаток при многократных осмотрах.
Датчик синхронизации включает в себя два основных компонента: датчик нулевого положения и датчик угла поворота. Датчик нулевого положения предоставляет информацию о начале нового поворота. В качестве датчика нулевого положения используется оптический рефлекторный датчик в сочетании с отражательной меткой, жестко закрепляемой на валу. Датчик угла поворота измеряет угол поворота вала относительно начального положения. Датчик угла поворота включает в себя кодовую ленту, обернутую вокруг ротора турбины и жестко закрепленную на нем, и считывающее устройство. Кодирование и чтение ленты осуществляется оптико-механическим (механическое нарезание растра на ленте и чтение его оптическим методом) либо магнитным способом (нанесение магнитного кода на ленту и чтение при помощи специализированного устройства). При этом код каждого углового положения должен быть уникален - это позволяет считывать угловое положение даже при полной остановке турбины.
Отражательная метка представляет собой жестко закрепленный на валу элемент, работающий по принципу уголкового отражателя. Излучение, испускаемое источником излучения рефлекторного датчика, отражается строго в обратном направлении и попадает на его приемник излучения.
Линии и блоки связи позволяют использовать возможности входящих элементов для цифровой обработки и связи с сервером.
Все действия по определению места положения эндоскопического узла относительно получения данных с видеозондов, согласуются с калиброванным датчиком синхронизации, размещенным стационарно на валу паровой турбины, и по обратной связи через блок обработки данных контролирует местоположение видеозондов относительно лопаточного аппарата и элементов проточной части. Эти возможности могут достигаться несколькими камерами, которые захватывают всю длину лопатки при установке составного зонда эндоскопа.
Обработка данных включает в себя несколько основных этапов:
- определение номера лопатки в кадре по показаниям датчика синхронизации на момент съемки,
- разноракурсное комплексирование (сшивка) изображений, полученных в процессе одной операции съемки при помощи разных каналов многоканального видеоэндоскопа,
- измерение отклонения формы лопатки от идеальной средствами морфологической обработки изображений с учетом масштабного коэффициента, связывающего размер детали на изображении (в пикселях) с ее реальным размером, полученного при помощи структурированной подсветки.
Разноракурсное комплексирование изображений проводится по любой известной из уровня техники технологии.
Для функционирования системы необходимо определить соответствие между углом поворота вала и положением лопатки в кадре видеоголовки. Для этого на каждой ступени проводится первичная калибровка следующим образом.
1. Во время калибровки турбина вращается при помощи валоповоротного устройства с низкой скоростью (не более 3 об/мин).
2. Многоканальный видеоэндоскоп вводится в турбину на необходимую глубину и под оптимальным для съемки лопаток углом.
3. Включается передача видеопотока с многоканального видеоэндоскопа. При этом каждый кадр видеопотока маркируется синхронизационными данными.
4. Осуществляется запись видеопотока за один полный оборот (временной интервал между двумя сигналами от датчика нулевого положения).
5. Оператор покадрово просматривает видеозапись, выбирая снимки, на которых каждая из лопаток находится в наиболее подходящем для съемки положении.
6. Синхронизационные метки (угловые положения вала), соответствующие каждому выбранному оператором снимку, запоминаются и могут быть использованы для получения синхронизированных снимков конкретных лопаток.
Применение многоканального видеоэндоскопа позволяет получить снимки всех лопаток автоматически за один оборот турбины без необходимости перепозиционирования самого устройства съемки.
Синхронизация съемки достигается за счет применения двухкомпонентного устройства, включающего в себя оптический рефлекторный датчик и датчик угла поворота на основе кодовой ленты.
Более точное измерение дефектов осуществляется за счет определения регионального масштаба изображения при помощи структурированной подсветки, создающей на всех наблюдаемых поверхностях периодический рисунок (линейчатый, клетчатый, круговой). Масштаб каждого отдельного участка наблюдаемых поверхностей можно определить по размеру элементов созданного рисунка и/или расстоянию между этими элементами.
Использование средств морфологической обработки изображений лопаток позволяет автоматически измерить отклонения формы кромок от идеальной для каждой конкретной лопатки.
Система эндоскопирования обеспечивает в автоматическом режиме:
- визуально измерительный контроль;
- контроль при закрытом ЦНД и ЦВД за наиболее эрозионно-подверженным звеном лопаточного аппарата и внутритурбинными элементами;
- видеоконтроль всех опасных в эрозионном отношении элементов рабочих лопаток, входных и выходных кромок, скрепляющих проволок и бандажа;
- планирование необходимого объема ремонтных работ элементов проточной части по восстановлению рабочих лопаток или замене их в период предстоящих ремонтных кампаний;
- определение динамики износа входных и выходных кромок и бандажа лопаток, прогнозирование аварийно-опасных уровней износа рабочих лопаток, а также оценку эрозионной стойкости применяемых защитных покрытий, что крайне важно для обеспечения продления ресурса, повышение безопасности и надежности элементов проточной части;
- прогноз остаточного ресурса лопаток по их фактическим параметрам износа с сохранением полного объема информации в цифровом виде в течение всего срока службы лопаток (при помощи гистограмм, графиков).
В соответствии с вышеуказанной методикой калибровки определяются угловые положения вала, соответствующие каждой лопатке. Таким образом, во время проведения мониторинга можно определить, какая лопатка в кадре, по текущему угловому положению вала. Например, при мониторинге сняли изображение лопатки - угол поворота вала на момент съемки равен 272 градуса 33 минуты, автоматизированная система сопоставляет данное изображение с ближайшим угловым положением, записанным при калибровке, и выводятся данные, что это лопатка № 97.
Автоматизация процесса производится за счет синхронизации, морфологической обработки изображений и автоматического определения масштаба за счет структурированной подсветки.
Мониторинг и измерения производятся следующим образом.
1. Вал проходит угловое положение, соответствующее, например, лопатке № 42.
2. Датчик угла поворота фиксирует это и отправляет сигнал о том, что вал находится «на лопатке № 42».
3. Осуществляется захват изображений при помощи видеоголовки.
4. Изображения «сшиваются».
5. На «сшитом» изображении определяется масштаб и форма детали с учетом масштаба.
6. Измеряется отклонение формы от нормы.
7. Результат записывается: Лопатка № 42 - максимальная величина дефекта кромки 8 мм.
8. Принимается решение - Ремонт не нужен / Нужен ремонт / Нужна замена.