Dragan Petrovi}, Vladimir Milosavljevi} i Sini{a Stojkovi} Jedan koncept monitoringa stanja hidrogeneratora Stru~ni rad UDK: 621.311.1; 621.311.21; 621.186.22 Rezime: U referatu je prikazano jedno savremeno re{enje sistema monitoringa hidrogeneratora koje se primenjuje kod izgradnje novih ili revitalizovanih agregata. Pored toga, daje se i pregled veli~ina i parametara generatora koji ulaze u sistem monitoringa i dijagnostike. Klju~ne re~i: monitoring, hidrogenerator, dijagnostika, revitalizacija Abstract: ONE CONCEPT OF HYDRO GENERATOR CONDITION MONITORING The paper presents a modern solution of the system for monitoring of hydro generators which is applied in construction of new generators or in revitalized generators. In addition, the paper provides values and parameters of generators that are included in the system of monitoring and diagnostics. Key words: monitoring, hydro generator, diagnostics, revitalization 1. UOP[TE O SISTEMU MONITORINGA HIDROAGREGATA Pod monitoringom se podrazumevaju metode i aktivnosti koje se koriste da bi se sagledalo stanje aktivnog procesa hidroagregata. On uklju~uje automatsku akviziciju podataka, njihovu obradu, pam- }enje, prikazivanje i kori{}enje za potrebe dijagnoze, za{tite i delimi~no za sistem upravljanja. To je tzv. ON-LINE pra}enje radnog stanja generatora sa mogu}no{}u procene raznih veli~ina i parametara koje se neprekidno prate. Tu su zna~ajne njihove vrednosti u trenutku merenja kao i trend promene, {to omogu}ava predikciju eventualnih kvarova, odnosno potreba za intervencijama. U su{tini se radi o integrisanom on-line monitoringu stanja koji uklju~uje istovremeno pra}enje raznih parametara i veli~ina koji u potpunosti defini{u stanje objekta i njegovu raspolo`ivost za korisnika (u elektrani i u sistemu). Ovaj sistem se sastoji od vi- {e podsistema i oni moraju biti sinhronizovani u cilju uspostavljanja me usobnih korelacija i procena. Sistem monitoringa ima prevashodni zadatak da pripremi sve relevantne podatke za pravilnu dijagnostiku stanja ma{ine. Pri izgradnji novih, ili u toku revitalizacije hidroelektrana, ugra uju se sistemi upravljanja velikih mogu}nosti, kao i sistemi monitoringa. Sistem upravljanja hidroagregatom i sistem monitoringa treba da budu: Prof. dr Dragan Petrovi}, dipl. ing. el., mr Sini{a Stojkovi}, dipl. ing. el. Elektrotehni~ki fakultet, 11 000 Beograd, Bulevar kralja Aleksandra 73 Vladimir Milosavljevi}, dipl. ing. el. EPS JP \erdap, 19 320 Kladovo, Trg kralja Petra 1 7
me usobno nezavisni, transparentni u me usobnom odnosu, povezani ~vrstom mre`om ili lokalnom mre`om za prenos signala i podataka o pra}enim veli~inama i jednakog tehnolo{kog nivoa i jednakog profesionalnog kvaliteta. Sistem za upravljanje generatorom treba da prikuplja podatke i prati sve potrebne veli~ine u procesu upravljanja generatorom, kao i da obavi realizaciju svih za{tita u svom delokrugu. Sistem za monitoring treba da prikuplja sve veli~ine koje defini{u stanje generatora, kao i da realizuje za{tite u svom delokrugu. Ovo dovodi do promene postoje}e prakse da se temperature elemenata hidroagregata uvode u sistem upravljanja agregatom. Temperature nisu veli~ine prisutne u procesu upravljanja, pa je primerenije da se prate u sistemu monitoringa stanja. Deo prate}ih veli~ina potrebnih za oba sistema mogu}e je preneti preko lokalne mre`e, ili umno`avanjem izlaza dava~a. Strategija sistema monitoringa se bazira na: monitoringu ma{ine sa stanovi{ta optimalnog kori{}enja (eksploatacije) generatora, na~inu otkrivanja mogu}ih kvarova, op{tem stanju generatora sa stanovi{ta odr`avanja i analizi, dijagnostici i trendu otkrivenih kvarova. 2. IZBOR VELI^INA I PARAMETARA ZA MONITORING I DIJAGNOSTIKU Za monitoring stanja generatora, kako je ve} napred re~eno, potrebno je pratiti odre ene veli~ine za vreme pogona (ON-LINE) i kao dopunu ovome, za dijagnostiku stanja potrebno je vr{iti odre ena periodi~na ispitivanja, merenja i pra}enja na zaustavljenoj ma{ini (OFF-LINE). 2.1. Veli~ine koje se prate na generatoru u radu Prema praksi poznatih svetskih proizvo a~a generatora i njihovih sistema monitoringa generatora, prate se slede}e veli~ine i parametri: temperature delova i sklopova generatora i rashladnih fluida, vibracije mehani~kih delova i relativna pomeranja (orbite), forma statora, rotora i zazor generatora, parcijalna pra`njenja u namotaju, radni podaci generatora, prisustvo vode u ulju, brzina obrtanja, magnetni fluks, protok - pritisak vode za hla enje, nivoi ulja u le`ajevima, 8 kontrola malih obrtaja, stanje magnetnog jezgra statora, sadr`aj gasova i vlage u rashladnom vazduhu, stepen iskori{}enja generatora, temperature namotaja rotora, kvalitet rashladne vode (destilata), merenje buke u buretu generatora, kavitacija i nivoi i pritisci kroz turbinu. U daljem tekstu date su detaljnije vrste i mesta merenja nekih od napred navedenih veli~ina koje se prate. 2.1.1. Temperature generatora: temperatura jezgra i krajnjih paketa, temperatura namotaja statora i rotora, temperature svakog segmenta nose}eg i vode}eg turbinskog le`aja, temperatura hladnog ulja vode}eg i nose}eg le`aja, temperatura toplog ulja vode}eg i nose}eg le`aja, temperatura toplog vazduha ispred hladnjaka, temperatura hladnog vazduha ispred hladnjaka u buretu generatora, temperatura rashladne vode na dovodnom cevovodu, temperatura rashladne vode na izlazu iz hladnjaka vode}eg i nose}eg le`aja, temperatura rashladne vode na izlazu iz svakog hladnjaka vazduha, temperatura pola - ukoliko se jezgro hladi vodom, temperatura svakog segmenta vode}eg generatorskog le`aja i temperatura zaptiva~a. 2.1.2. Vibracije: vibracije jezgra statora, vibracije ku}i{ta statora, vibracije ku}i{ta vode}eg le`aja generatora, vibracije ku}i{ta nose}eg le`aja turbine, relativne vibracije osovine kod turbinskog i generatorskog vode}eg le`aja u dva upravna pravca, vibracije oslonca nose}eg le`aja turbine u aksijalnom pravcu i viracije turbinskog poklopca. 2.1.3. Forma generatora Za generator kod koga je rotor sa obodom: merenje forme rotora na oba kraja po visini, merenje forme statora na oba kraja po visini i merenje vazdu{nog zazora na oba kraja po visini.
Za generator kod koga je rotor varene konstrukcije bez oboda, merenje navedenih veli~ina vr{i se u jednoj ravni. 2.1.4. Pritisak i protok vode za hla enje: pritisak rashladne vode u dovodnom cevovodu, protok vode na izlazu vode}eg le`aja, protok vode na izlazu nose}eg le`aja, protok vode za direktno hla enje namotaja (destilata) i protok i pritisak vode zaptiva~a. 2.1.5. Nivo ulja u le`ajevima: nivo ulja iznad maksimalnog - isklju~enje, maksimalni nivo - signal, minimalni nivo ulja - signal i nivo ulja ispod minimalnog - isklju~enja. 2.1.6. Radni podaci generatora: aktivna snaga, reaktivna snaga, struja statora, napon statora, struja pobude i napon pobude. 2.1.7. Stanje magnetnog jezgra statora: dijagnoza promene stanja jezgra, pritisnih plo~a, zavrtnjeva za presovanje i u~vr{}enja {tapa u `ljebu. 2.1.8. Analiza gasova u rashladnom vazduhu: postojanje parcijalnh pra`njenja i korone preko sadr`aja ozona, postojanje toplih mesta u namotaju preko sadr`aja ugljovodonika i postojanje vlage u rashladnom vazduhu. 2.1.9. Pra}enje parcijalnih pra`njenja u toku rada Napomena: Veli~ine navedene pod ta~kama 2.1.4, 2.1.5 i 2.1.6 za potrebe sistema monitoringa i dijagnostike uzimaju se iz sistema upravljanja. 2.2. Veli~ine koje se periodi~no ispituju i mere na zaustavljenom generatoru 2.2.1. Stator: merenje otpora izolacije celog namotaja i svake faze posebno prema masi, merenje izolacionog otpora izme u pojedinih faza, merenje indeksa polarizacije svake faze, merenje struje odvoda svake faze, merenje tg δ i kapaciteta svake faze, merene parcijalnih pra`njenja svake faze, merenje omskog otpora svake faze, provera sistema izolacije udarnim naponom, merenje i utvr ivanje stanja svakog {tapa u `ljebu jezgra statora induktivnom metodom impulsnim naponom i ispitivanje visokim naponom. 2.2.2. Rotor: merenje omskog otpora celog namotaja, merenje impedanse namotaja, merenje otpora izolacije, merenje struje odvoda, provera me uzavojne izolacije svih polova, odre ivanje nivoa dielektri~ne ~vrsto}e sistema izolacije namotaja rotora, merenje otpora izolacije kliznih prstenova, merenje struje odvoda izolacije kliznih prstenova i merenje aksijalnog pomeranja oboda rotora. 2.2.3. Kontrolne provere i merenja Ove provere i merenja vr{e se na osnovu pokazatelja dobijenih od sistema monitoringa ili u periodima kada je generator u zastoju zbog drugih popravki. Sastoje se od: provere spresovanosti jezgra statora, provere zaklinjenosti i u~vr{}enja {tapova u `ljebovima, provere u~vr{}enja krajeva namotaja, merenja vibracija na ve}em broju ta~aka jezgra, merenja vibracija ku}i{ta generatora i fundamentnih plo~a i prirubnice ku}i{ta, provere forme rotora i statora i ravnomernosti me ugvo` a, kontrole postojanja kratkih spojeva izme u limova, kontrole postojanja toplih mesta zagrevanjem jezgra statora magnetnom indukcijom, merenja kontaktnog otpora izme u {tapova i `ljeba, kontrole provodnog i poluprovodnog premaza {tapova, merenja zazora u vode}em le`aju, kontrole ravnomernog optere}enja segmenata nose}eg le`aja, kontrole stanja i kvaliteta kliznih povr{ina i kontrole spoja telo rotora - obod rotora. 9
2.2.4. Vizuelni pregledi Vizuelni pregledi se vr{e na osnovu pokazatelja dobijenih od sistema pra}enja veli~ina u radu ili u periodima kada je agregat u zastoju zbog drugih popravki. Sastoje se od: pregleda sistema u~vr{}enja jezgra statora u ku}i- {tu i sistema fundamenta, pregleda gvozdene konstrukcije rotora, pregleda zaprljanosti: krajeva namotaja i jezgra statora, namotaja rotora,zaprljanosti ventilacionih kanala i hladnjaka, provere u~vr{}enja namotaja na polovima i pregleda krajeva {tapova namotaja statora. 3. PODACI ZA PRA]ENJE RADA AGREGATA Za pra}enje rada generatora sa stanovi{ta njegove eksploatacije i odre ivanja njegovog trenutnog stanja i mogu}nosti (po snazi) potrebno je da se stalno prate odre ene veli~ine: da se vr{i prora~un pojedinih veli~ina i odre uju trenutne mogu}nosti preoptere}enja generatora (po potrebi) kao i da se daje prikaz odre enog broja slika preseka generatora sa mernim mestima veli~ina, pogonski dijagram i tabele sa dozvoljenim strujnim optere}enjima statora i rotora. U veli~ine koje se stalno prate spadaju: prividna snaga generatora, aktivna snaga generatora, reaktivna snaga generatora, struje statora generatora, struje rotora generatora, napon statora, napon rotora, temperatura namotaja rotora, temperatura rashladne vode na dovodnom cevovodu, dozvoljena strujna optere}enja generatora u zavisnosti od napona generatora, dozvoljena strujna optere}enja rotora i vreme trajanja i podaci o proto~nom traktu (padovi, nivoi, otvor usmernog aparata i dr.). U veli~ine koje se izra~unavaju spadaju: srednja temperatura namotaja statora, srednja temperatura jezgra statora, srednja temperatura krajnjih paketa jezgra statora, srednja temperatura toplog vazduha, srednja temperatura hladnog vazduha, srednja temperatura segmenata nose}eg le`aja i srednja temperatura segmenata vode}eg le`aja. U veli~ine koje se prora~unavaju spadaju i: stepen iskori{}enja generatora, 10 faktor snage - trenutna vrednost, mogu}nost (veli~ina i trajanje) preoptere}enja od trenutnog radnog stanja do maksimalne temperature namotaja i stepen iskori{}enja turbine. Za prikaz trenutnog re`ima rada generatora daje se pogonski dijagram generatora sa topografskim krivim stepena iskori{}enja na kome }e biti prikazana i trenutna radna ta~ka. Na {ematski prikazanom vertikalnom preseku generatora daju se podaci o srednjim temperaturama delova i sklopova, kao i rezultati vibracija i pomeranja izmerenih na mestu na kojima se mere, a na {ematski prikazanim horizontalnim presecima sklopova generatora daje se lokacija mesta merenja temperatura i vibracija (npr. broj `ljeba, sektor statora, brojevi segmenata le`ajeva i dr.) sa prikazivanjem trenutne vrednosti merne veli~ine. Svi podaci za pra}enje rada agregata se daju u centralnoj komandi (SCADA). 4. KONFIGURACIJA SISTEMA ZA MONITORING I DIJAGNOSTIKU GENERATORA Za pra}enje stanja generatora i dobijanje potrebnih elemenata za dijagnostiku mogu da se koriste sistemi za stalno pra}enje odre enih veli~ina i to: sistem merenja temperatura, sistem merenja vibracija, sistem merenja parcijalnih pra`njenja u namotaju statora, sistem za merenje vazdu{nog zazora, sistem za analizu sadr`aja gasova u rashladnom vazduhu i stanje jezgra statora. Navedeni sistemi sastoje se od dava~a i ure aja za prijem i obradu prikupljenih podataka. U zavisnosti od broja dava~a sistemi mogu da budu predvi eni po agregatu ili za sve agregate u elektrani. Konfiguracija sistema monitoringa i dijagnostike i broj primenjenih sistema za stalno pra}enje odre enih veli~ina je prikazana na slici 1. Kako je na slici prikazano, konfiguracija sistema ima ~etiri nivoa obrade i prikupljanja podataka. Na prvom nivou nalaze se dava~i za merenje odre enih veli~ina i pretvara~i signala dava~a u signal pogodan za dalju analizu i obradu. Na drugom nivou vr{i se akvizicija i obrada prikupljenih podataka. Pojedini sistemi imaju lokalnu signalizaciju prekora~enja grani~nih veli~ina. Za potrebe sistema upravljanja kao opomenski i za{titni signali koriste se samo signali iz sistema merenja temperatura generatora.
SCADA u C. K. Periferija Dijagnostika Baza podataka PC eksperata 4 Grafi~ki prikaz i veli~ine za pra}enje rada agregata 3 2 1 Slika 1. Konfiguracija sistema za monitoring i dijagnostiku stanja generatora Obra eni podaci {alju se na tre}i nivo u stanicu monitoringa gde se vr{i procesiranje, pra}enje i pam}enje prikupljenih podataka. Osnovna uloga stanice monitoringa je: prikaz mernih veli~ina, pra}enje promena mernih veli~ina u toku rada sa odgovaraju}om signalizacijom, prora- ~un i odre ivanje trenda promene merne veli~ine, procena ispravnosti dobijenih podataka, grafi~ki prikazi promene mernih veli~ina i potrebnih veli~ina za pra}enje rada generatora kao i odre ena izra~unavanja. Na ~etvrtom nivou je sistem dijagnostike kvarova na generatoru. Ovaj sistem pored funkcija koje ima sistem monitoringa ima i slede}e funkcije: trajno ~uvanje i arhiviranje podataka u potrebnoj formi, komunikaciju sa ostalim sistemima u elektrani radi razmene potrebnih radnih podataka iz procesa i za proces, prijem podataka sa PC-a eksperata sa periodi~nih merenja i pregleda opreme za dijagnostiku. Dijagnostika se vr{i na osnovu iskustva isporu~ioca opreme i personala sa elektrane, podataka iz sistema monitoringa, periodi~nih merenja i pregleda opreme. Ovde se vr{e prora~uni, pra}enja, utvr ivanje uzroka nastale promene (po~etka kvara) i daje preporuka za dalji rad opreme i za odr`avanje, kao i prikaz kvara sa tekstualnom preporukom za dalje akcije eksploatacionog i personala za odr`avanje. Komunikacione veze od analizatora (nivo 2) do dijagnostike (nivo 3 i 4) obavljaju se komunikacionim LAN-on. 5. ZAKLJU^AK Za sveobuhvatno pra}enje stanja generatora neophodno je vr{iti niz merenja i prora~una kako veli~ina tako i parametara generatora {to je i dato u ovom referatu. Autori smatraju da je konfiguracija celog sistema za monitoring i dijagnostiku data na slici 1 prakti~na i preporu~uje se kod aktuelnih revitalizacija generatora. 11
6. LITERATURA [1] S. Zelingher, ON-LINE CONDITION MONITO- RING AND EXPERT SYSTEM FOR HYDRAU- LIC PUMP STORAGE UNITS, CIGRE R11-206, Paris, 1996 [2] G. Galasso, M. Maerke, NEW DEVELOPMENTS IN DIAGNOSIS AND MONITORING TECHNI- QUES FOR HYDROGENERATORS, Barcelona, June 1995 Rad je primljen u uredni{tvo 06. 07. 2005. godine Dragan Petrovi}, ro en 1942. godine. Elektrotehni~ki fakultet u Beogradu zavr{io 1964. godine, magistrirao 1968. godine i doktorirao 1977. godine. Redovni je profesor na Elektrotehni~kom fakultetu u Beogradu i {ef Katedre za energetske pretvara~e i pogone. U`a nau~na i stru~na oblast rada su asinhrone i sinhrone ma{ine. Vladimir Milosavljevi}, ro en 1942. godine Elektrotehni~ki fakultet u Beogradu zavr{io 1967. godine Radio od 1967 godine na HE \erdap, a ostaje na funkciji Pomo}nik direktora JP \erdap za tehni~ke poslove. Autor je vi{e stru~nih radova. Sini{a Stojkovi}, ro en 1966. godine, Elektrotehni~ki fakultet u Beogradu zavr{io 1991. godine, a magistrirao 2000. godine. Zaposlen je kao asistent na Elektrotehni~kom fakultetu u Beogradu pri Katedri za energetske pretvara~e i pogone. U`a nau~na i stru~na oblast rada su asinhrone i sinhrone ma{ine. 12