Счастливый Г.Г. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕННО НАДЕЖНОСТИ МОЩНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОМАШИН
Современные энергетические электромашины отличаются самыми высокими среди электрических машин других типов показателями надежности. К категории энергетических электромашин (ЭЭМ) относятся обычно турбо- и гидрогенераторы (ТГ и ГГ), синхронные компенсаторы (СК), а также двигатели собственных нужд (ДСП) электростанций. Для общего анализа проблем надежности ЭЭМ можно принять в качестве обобщенного типопредставителя ЭЭМ мощные ТГ, отличающиеся среди других типов ЭЭМ наиболее сложным конструктивным исполнением, наивысшим уровнем нагрузок важнейших деталей и узлов, сложностью процессов, определяющих анормальные и аварийные перегрузки.
Высокая надежность ТГ определяется весьма совершенными конструктивными решениями, глубоким научным обоснованием этих решений в части исследования процессов в конструктивных узлах и системах, высоким уровнем проектировочных методов расчета параметров, характеристик, потерь, основных механических и тепловых нагрузок. Надежность ТГ освоенных серий мощностью 200-500 МВт характеризуются коэффициентом готовности на уровне 98,5-99,5%. Быстрый рост единичных мощностей ТГ, составляющий 200 - 1200 МВт, привел к определенному отставанию исследований по проблемам проектного и производственного обеспечения безотказности и долговечности отдельных узлов. Вследствие этого наблюдается повышенная аварийность ТГ новых типов в начальный период их освоения. Имеются примеры, когда приработочный период Тпр для ТГ новых типов перекрывался более длительным периодом доводки и модернизации, характеризующимся снижением Кг до 85-95% в течение Тпр ≥5-8 лет (рис.1). Имеются также данные об увеличении аварийности новых видов оборудования электростанций с ростом их единичной мощности на этапе нормальной эксплуатации.
2. Мощные ТГ должны работать в маневренных режимах эксплуатации (МРЭ), в связи о чем требуется решать проблещу обеспечения надежности ТГ в течение 24-30 лет с ежедневными пусками и остановами, т.е. при суммарном числе циклов 7500-10000. Опыт показывает, что при МРЭ имеет место ускоренный износ отдельных узлов ТГ вследствие возникновения в них. знакопеременных термомеханических и электродинамических нагрузок.
Возникают при этом две проблемы: первая связана с разработкой новых конструкций ТГ мощностью 800 МВт и выше, для которых должно быть обеспечено Кг=0,995 при Nc= 104 в течение расчетного ресурса до 30 лет при одновременном увеличении межремонтного периода до 5-6 лет, вторая связана о улучшением эксплуатационных характеристик существующих энергоблоков мощностью.
Однако, несмотря на высокие показатели, проблема надежности ТГ актуальна, что определяется следующим: 200 ~ 800 МВт, которые будут во все возрастающих масштабах переводится в МРЭ. Решение этой проблемы возможно путем модернизации ТГ на основе замены быстро изнашивавшихся деталей, узлов и даже сборочных единиц более совершенными, реконструкцией систем охлаждения, применением новых контрольных и диагностических систем, а также уточнением допустимых эксплуатационных нагрузок. Кривые (t) на рис.1 показывает задачу обеспечения величины с 5-8 лет до 2-3 лет для головных образцов ТГ большой мощности, а также существенное повышение времени нормальной эксплуатации ТN и отдаление момента наступления износового периода Тизн т.е.
и
Таким образом, проблема надежности ТГ, как и других типов ЭЭМ, представляется многоплановой комплексной проблемой, эффективное решение которой возможно только на основе системного подхода.
Рассмотрим некоторые методологические аспекты проблемы исследования и обеспечения надежности ЭЭМ.
Постановку данной задачи представим как в плане поэтапного решения (этапы проектно-конструкторской работы (К), производства (П) и эксплуатации (Э)), так и в плане определения иерархических уровней ее решения. Можно выделить три уровня: I - существующий в современной практике уровень обеспечения надежности ЭЭМ на всех этапах; II - уровень, соответствующий современным научным достижениям, который будет реализован в практике в ближайшие года; Ш - уровень, определяемый планируемыми в настоящее время НИР, практическая реализация которого возможна в периоды 1905-1990 гг. и до 2000 года.
Поэтапный подход рассматривался неоднократно. Общая характеристика уровней по данному их определению должна раскрыть представляющийся реальным качественный переход от существующей системы обеспечения надежности ТГ (СОНГ) к реализуемой в перспективе автоматизированной системе управления надежностью турбогенераторов (АСУНТА). На рис.2 схематически представлена данная многоуровневая и поэтапная интерпретация. При обсуждении проблем надежности ЭЭМ, как и другого энергооборудования, подчеркивается важность решения задач создания высокоэффективных систем контроля и диагностики эксплуатационного состояния элементов и узлов оборудования. На структурной схеме организации работ по обеспечению надежности (см. рис.2) установлена примерная иерархическая система информационного обеспечения, в которой предусмотрено развитие межэтапных информационных связей от низшего уровня СОНГ к высшему АСУНГА.
Рис. 2. Структурная схема многоуровневой поэтапной организации работ по обеспечению надежности мощных ТГ.
В ее основе переход от простых информационных потоков, имеющих отношение к оценке надежности, опосредовано к потокам более высокого уровня, содержащим информацию по диагностическим признакам и диагностируемым параметрам и потокам высшего уровня, построенным по статистическим моделям расчетного и экспериментального анализа.
На уровне СОНТ прямые потоки информации весьма слабые и недостаточно упорядоченные. На П уровне предусматривается их существенное усиление, а уровень III характеризуется мощными и стабилизированными информационными потоками.
Уровень I (СОНТ) этапа "К" характеризуется проектно-расчетным анализом процессов в ТГ, базирующемся на методике, обеспечивающей весьма точный инженерный расчет параметров, характеристик, средних температур, средних и суммарных потерь, интегральных величин токов, электродинамических и механических сил, действующих на обмотки, сборочные узлы, валопровод и др. Соответствующая и расчетная к производственная информация (ИР и ИП) обеспечивает существующий уровень качества эксплуатации. Обратные информационные потоки, содержащие данные об отказах и недостатках конструкции, адресованы расчетно-конструкторскому (ИОР) и производственному (ИОП) этапам.
Выбор конструктивных. решений на уровне 1 осуществляется главным образом анализом опыта создания и эксплуатации предшествующих проектному варианту конструкций ТГ. Учитывая, что ТГ больших мощностей являются предельно используемыми машинами, для обеспечения высоконадежных конструктивных решений этап "К" представляет наибольшие сложности. Их преодоление практически осуществляется путем максимальной унификации узлов ТГ на базе хорошо отработанных и проверенных практикой решений, приближенных оценок их нагрузочного состояния. Для ТГ возрастающих мощностей, а также для ТГ с усложненными эксплуатационными требованиями (например, для МРЭ) требуется использование новых конструктивных решений, применительно к которым существующие методы проектно-расчетного анализа не всегда удовлетворительны.
Производственный этап (II) обеспечения надежности на уровне I характеризуется известными процедурами пооперационного технологического контроля, входного контроля материалов и комплектующих изделий, а также проведением комплекса испытаний узлов и ТГ в целом.
Известное несовершенство методов обеспечения надежности на этапах "К" и "П" приводит при создании новых ТГ к значительному объему исследований и доводочных работ на этапе "Э", который объективно становится в ряде случаев самым дорогостоящим и неэффективным в СОНТ I уровня.
Высший Ш уровень комплексной системы АСУНТА характеризуется прежде всего переходом от собственно генератора (ТГ) к турбоагрегату (ТА) в целом, где силовые связи, механические (валопровод, соединяющий ТГ, турбину и возбудитель), электрические (ТГ, трансформатор и возбудитель) и информационные (регуляторы, системы контроля, защиты и диагностики) рассматриваются в смысле определения надежности как единая система.
В отличие от СОНТ, базирующейся на методике опосредованного, определения надежности через ограниченные данные эксплуатационных отказов и повреждений, АСУНТА должна опираться на этапе "К" на данные математического и физического моделирования нагрузочного состояния элементов и узлов ТГ, установленные закономерности деградации материалов и исходных состояний узлов и сборочных .единиц ТГ под воздействием эксплуатационных нагрузок и окружающей среды в течение, заданного промежутка времени. Постановка задач такого рода разработана при исследовании физики отказов электротехнических устройств.
Определение запасов прочности должно производиться на основе расчетных и экспериментальных исследований нагрузочного состояния элементов и узлов ТГ. Задачи этого рода, относящиеся к весьма сложным, уже для ряда практически важных Случаев получили принципиальное решение. В частности, ряд задач математического и физического моделирования электромагнитных и тепловых полей в наиболее нагруженных узлах концевых зон мощных ТГ исследован на основе решения уравнений Максвелла и Фурье-Пуассона для сложных многосвязных областей, а также экспериментального исследования составляющих электромагнитного поля на границах проводящих сред я закономерностей конвективного теплообмена.
Определение функции потерь в объеме проводящих массивов является необходимой задачей для исследования теплового нагрузочного состояния наиболее нагруженных элементов ТГ, включая узлы крепления магнитопровода и крайних пакетов сердечника статора, проводящие массивы конструктивных узлов ротора и др.
Для получения характеристик деградационных процессов целесообразно развивать расчетно-экспериментальный метод, основывающийся на масштабном физическом моделировании нагрузочного состояния отдельных элементов ТГ при воздействии на них циклически изменяющихся нагрузок, имитирующих эксплуатационные режимы ТГ.
Этап "П" комплекса предусматривает проведение статистического анализа параметров технологических процессов, влияющих непосредственно на показатели надежности элементов, узлов и обороxных единиц ТГ. При этом для соответствующих технологических операций производства элементов и узлов ТГ устанавливаются показатели качества технологического процесса, разрабатываются методы и технические средства измерений и послеоперационного контроля. Проведение систематических измерений и статическая обработка результатов позволяют установить законы распределения качества изготовления, составляющие основу технологического обеспечения надежности элементов и узлов ТГ. Отдельные задачи данного направления уже разрабатываются.
Этап "Э" уровня АСУНТА существенно разгружен от работ по эксплуатационной доводке конструкций, большого объема ремонтно-восстановительных работ и мероприятий по модернизации. В комплексе АСУНТА реализация межэтапных информационных связей обеспечивает системный анализ надежности. Прямые потоки расчетной (ИР) и расчетно-диагностической (ИРД) информации от этапа "К" к этапу "П" обеспечивают последний данными для обеспечения пооперационного, входного и выходного контроля качества изделий и технологического процесса. Соответствующие потоки от этапа "П" к "Э" образуют интегрированный информационный поток, содержащий расчетные и экспериментальные данные о конструкции ТГ, его основных узлов я высоко- нагруженных деталей (ИРПД), необходимые для функционирования автоматизированных систем технической диагностики (АСТД) на всех стадиях эксплуатации объекта.
Обратные информационные потоки, формируемые в виде набора данных об отказах, повреждениях и деградационных явлениях, не приводивших к отказам (не фигурирующих в аварийных актах, но представляющих важную информацию для осуществления процедур прогнозирования остаточного ресурса и принятия решений о плановых ремонтнопрофилактических мероприятий), а также форме статических данных (ИОПС, ИОРС), составляют замыкающую часть АСУНТА, содержащую данные по обеспечению эффективного функционирования ТГ и ТА в целом, а также созданию информационной основы последующих конструктивных разработок ЭЭМ. Информационная система уровня АСУНТА должна представлять поисково-информационный комплекс с достаточно мощным банком данных и развитой структурой баз данных, формируемых на стадиях. Возможный подход к решению такой проблемы имеется. Основное направление комплексных НИР связывается в настоящее время с созданием уровня АСУНТА.
Уровень II - комплексная система обеспечения надежности ТГ КСОНТ - следует рассматривать как промежуточный от уровня СОНТ к уровню АСУНТА. Он характеризуется разработкой и исследованием математических и физических моделей нагрузочного состояния узлов и элементов ТГ, внедрением методов развитого контроля технологических процессов, разработкой и внедрением подсистем технической диагностики эксплуатационного состояния узлов ТГ. Практическая реализация разработок данного уровня осуществляется при создании новых конструкций ТГ, имеющихся сниженный по сравнению с ТГ существующих серий уровень нагрева основных узлов, а также ТГ с регулируемой температурой основных узлов при изменении нагрузки. Такие решения обеспечивают стабилизацию теплового состояния и уменьшение амплитуды знакопеременных термомеханических напряжений в изоляции обмоток, шихтованном сердечнике и других узлах ТГ, что уменьшает интенсивность деградационных процессов. Не предусматривая создание и практическое использование моделей разрушения и деградации для обеспечения прогнозных оценок состояния узлов и остаточного их ресурса, этап КСОНТ обеспечивает феноменологический анализ информации от развитых систем контроля и диагностики, определяющих уровни электромагнитного, механического и теплового нагружения деталей и узлов в эксплуатационных условиях.
Решение комплексной проблемы управления надежностью ЭЭМ (в особенности мощных ТГ на уровне АСУНТА) позволит обеспечить достижение требуемых показателей надежности для новых ТГ в течение одного - двух дет о начала ввода в эксплуатацию и поддержание показателя Кг на уровне оптимальных значений (см. кривую (t) на рис.1). Предложенная методология АСУНТА имеет в своей основе реальные научные идеи, результаты использования которых в плане КСОНТ уже осуществляются в ряде комплексных НИР и разработок.
Для организации работ по планам КСОНТ и АСУНТА необходим программно-целевой метод, являющийся в настоящее время и в перспективе эффективным методом решения крупных научно-технических проблем.
