AZ ÜZEMFENNTARTÁS MÛKÖDÉSI FELTÉTELEI 2.02 5.06
Adatbank erőművi generátorok hibáiról – VGB-felmérés Tárgyszavak: adatbank; generátor; felújítás; hibafelmérés.
A VGB társaságnál 2002-ben döntés született a társasághoz tartozó valamennyi erőműben bekövetkezett generátorhibák dokumentálásáról 10 évre visszamenőleg. A határozat meghozatalát az újabban szaporodó üzemzavarok és kiesések váltották ki. Célja pedig a hibajelenségek statisztikai feldolgozása, elemzése és az eredmények alapján a generátorok gyártóinál a know-how tisztázása után szükség esetén az üzemi érdekek érvényesítése volt. A határozat realizálásának első lépéseként az Irányítástechnikai és Informatikai Bizottság Villamos gépek és berendezések munkacsoportja arra kapott megbízást, hogy adatbázist építsen ki a hibák és károk dokumentálására és értékelésére. A fosszilis tüzelőanyaggal működő erőművek generátorainak mintegy 250 meghibásodását táplálták be az adatbankba, majd a következő lépésben dokumentálták az atomerőműveknél és esetleg a vízerőműveknél bekövetkezett káreseményeket is (1. ábra).
Az adatbank felépítése Az adatbank rugalmas bővíthetősége érdekében a munkacsoport – az adatgyűjtésben és adatkezelésben az Excel alkalmazását, – a kutatás és feltárás lehetőségeihez a jelszóval védett internethasználatot választotta. A szoftver elkészítésével a HeadStorm céget bízták meg. Nagy rugalmasságot a káresetet érintő dokumentumok (mint „függelékek”) csatolásával lehet elérni. Az adatbankban az adatokat nem tartalmazó „X” jelölésű cellában lehet „strukturáltan” keresni. Az adatbank felépítése az 1. táblázatban látható. A táblázatban a tájékoztatásért felelős személy telefonszáma is megtalálható.
a VGB szervezeti felépítése az áram- és hőtermelésért felelős központ
atomerőművek
fosszilis tüzelésű erőművek
megújuló energiaforrások
környezetvédelem, munkavédelem, kémia
operatív szolgáltatások - mérnöki tanácsadás - minőségbiztosítás - kárelemzés - vízvizsgálat - szerkezeti anyagok vizsgálata
irányítás- és elektrotechnika, informatika villamos gépek és berendezések generátorok
1. ábra A VGB Generátor-munkacsoportjának helye a társaságban 1. táblázat
Telefonszám
Gerjesztőgép
Üzembe helyezés
Az építés éve
cosϕ
Áram
Feszültség
Fordulatszám
Frekvencia
Teljesítmény
Típus
Gyártó
Telephely
Üzemeltető
Egy rekord felépítése az adatbázisban
Abc
x
x
x
x
x
x
x
x
stb.
Utolsó változtatás
Függelékadatok
Egyéb
Gerjesztés
Segédberendezés
Lemezcsomag
Szigetelés
Vas
Réz
Állórész
repedések
Forgórész
A hiba leírása
2003
Megjegyzés
A meghibásodás éve
Elsam AVV1 ABB 50Wt 21 306 MVA 50 Hz 3000 17 kV 10,4 kA 0,85 1990 1991 nincs H. X E 084 030
1. jelentés 2004. 2. jelentés 11. 23.
A betáplált meghibásodások első értékelése
a meghibásodások száma
A jelenlegi állomány első áttekintéséhez a generátorok üzembe helyezésének évét és teljesítményét, valamint gyártóikat emelték ki (2., 3. ábra), amelyekről az adatbank már jó keresztmetszetet nyújt. A VGB vezetősége az üzemeltetőknek (rendes VGB-tagoknak) rendelkezésére bocsátja az adatgyűjtő szoftvert, adatközlésük után ezek a vállalatok megkapják az adatbázis-elérési jelszót. 120 100 80 60 40 20 0 1965-ig
1966-1975 1976-1985 1986-1995 1996 után
a meghibásodások száma
2. ábra A meghibásodott generátorok üzembe helyezési éve
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100-ig
101-250
251-200
501-1000 >1000 MVA
3. ábra A meghibásodott generátorok teljesítménye
Turbógenerátorok forgórészeinek hibái A „Generátorhibák” VGB-adatbankjában tárolt eddigi bejegyzések közül a forgórészt, az állórészt, az induktort, a gerjesztőgépet ért káro-
sodásokat értékelték. Már ez a korántsem teljes adatállomány is elégnek bizonyult e téren bizonyos súlypontok felismeréséhez. Így megállapítható, hogy a hibaokok 45–45%-a az állórészt és az induktort érinti. A forgórészekre vonatkozó bejegyzéseket elemezve az derül ki, hogy a hibák 40%-át túlnyomórészt tekercselési hibák és földzárlat miatt sérült szigetelések okozzák (4. ábra). – a földzárlat egy réz vezetőrúd és a tengelytest közötti szigetelés hibájának tulajdonítható, – a tekercshiba esetében pedig legalább két egymás fölötti vezető között rövidzárlat jön létre a köztük levő szigetelés sérülése következtében. Halmozott hibák származnak a tekercselés hőtágulás okozta elcsúszásaiból, az induktorsapkák korróziójából és a vezetők repedéseiből is.
egyéb 9%
gyűrű 7%
gerjesztőgép 3%
tekercslezárás 13%
tekercselések elcsúszása 11%
vezetékrepedés 8%
szigetelőrendszer 39% egyéb 18%
földzárlat 8%
induktorsapkák 8% csillapítótekercselés/ ékek 15%
4. ábra Forgórészhibák az adatbank értékelése szerint
Gázhűtéses induktorok rézvezetőinek repedezése A turbógenerátor induktorának részei a tengelytest, amelybe a tekercseléshez szükséges hornyokat marják és a tekercselés, amely
ezekbe a hornyokba helyezett vezetőrudakból áll. Ezekhez a rézprofilokhoz az áram indukálta hőfejlődés elvezetésére szolgáló, hűtőgázzal átáramoltatott csatornák csatlakoznak. A rézprofilokat a horony falától szigetelőelemek választják el. Az egymás fölötti vezetőprofilokat a hornyokon kívüli forrasztás tekerccsé kapcsolja össze. A tekercsfejet a centrifugális erő általi terheléstől a tengelytestre erősített sapka védi. A tekercseket tengely- és érintő irányban bevitt szigetelések mechanikailag is elválasztják egymástól. Az induktortekercselés kemény rézből készült üreges vezetőprofilokból áll, tekercsenként 10 forrasztással. A rézprofilokat a horonyba illesztés előtt a gázbelépéshez az üreges vezetőkre forrasztják. Az ehhez szükséges hőmérséklet a forrasztás környezetében meglágyítja a rezet. A repedéseket, ill. töréseket a tekercselés és a tekercsmag felmelegedése–lehűtése, ennél fogva hőtágulása–összehúzódása közötti időbeli különbség és az így kialakuló mechanikai feszültség okozza. Ezek a feszültségek hosszabb tekercsekben az alakváltozás következtében leépülnek, rövid tekercsekben viszont könnyen bekövetkezik a repedés a leggyengébb pontokon, főként a gázbelépés melletti forrasztásoknál. Ezek a repedések érintőirányúak. A javítási kísérletekből kiderült, hogy a legjobb megoldásnak az újratekercselés bizonyult új rézprofilokkal, a forrasztások áthelyezése a horony szélének közeléből és a tekercsenkénti forrasztások számának csökkentése tízről kettőre–négyre.
Tekercszárlatok Az itt leírt induktortípus a vezetőrepedések mellett tekercszárlatokra is hajlamos, ami szintén a sok forrasztásnak és azok hornyon belüli kedvezőtlen elhelyezésének tulajdonítható. A forgórésztestben és a tekercsben uralkodó különböző hőtágulási viszonyokkal függnek össze a rézvezetők forrasztások körüli meglágyult helyeinek húzó- és nyomóerők általi deformációi, s ennek következtében a tekercselés összenyomódásai. Az összenyomódás pontszerűen terheli és megrongálja a vezetők köztes szigetelését. A javítás egyetlen ésszerű módja ezúttal is az újratekercselés új rézprofilokkal és lényegesen kevesebb forrasztással. A rendszeresen beiktatott ellenőrzési állásidők alatt a veszélyeztetett induktorokat endoszkópos vizsgálatnak vetik alá. A bővülő adatbank
hozzájárul majd további üzemi tapasztalatok összegyűjtéséhez és széles körű ismertetéséhez. Az adatbankba bevitt gépek nagy száma révén korábban felismerhetők a meghibásodások konstrukciókhoz és üzemi viszonyokhoz köthető fő okai, s ez értékes információkkal támasztja alá a berendezések üzemeltetői, a javításukkal megbízottak és gyártóik közötti együttműködést.
Állórészsérülések Az állórészsérülések mintegy háromnegyede ugyancsak a tekercselésekre vezethetők vissza. Az ezen belüli súlypontok: – lazulások a tekercsfejben, – laza horonyzáró ék, – szigetelési hibák és lyukak képződése az üreges vezetőkön vízhűtéses állórész-tekercselésnél (5. ábra).
a tekercsfej lazulása 34%
egyéb 9%
szigeteléshibák 8%
tekercselés 79%
laza horonylezárás 24% tekercs egyéb hibái 13%
lemezcsomag 12%
5. ábra Állórészhibák megoszlása
Tekercsfejsérülések A tekercselés és speciálisan a tekercsfej hibái nem függnek a gyártmánytól, minden gyártónál előfordulnak. A tekercsfej, ezen belül a vezetőrudak rögzítése a tekercs felépítésétől, hűtésétől és teljesítményétől függő sajátos konstrukciós megoldá-
sokat kíván. Gázhűtéses gépeken a rögzítésről szalagtekercselés és a rudak egymás közötti távolságtartása, radiális megtámasztásáról konzolok és szigetelőékek gondoskodnak. Nagy generátorokon szigetelőgyűrűvel veszik körül az egész tekercsfejet. A tekercsfejek nagy igénybevételnek vannak kitéve a váltakozó mágneses tér indukálta állandó rezgés és zárlatok miatt. Az egymással és a támasztékokkal szemben mozgó vezetőrudakon fellazul a szalagtekercselés, az így létrejött finomrezgés pedig horzsolja, koptatja a szigetelések és támaszok anyagát. Vizsgálat alkalmával erről fehér vagy világosbarna súrlódási por észlelése tanúskodik. Ez a károsodás különösen gázzal hűtött generátorokon lép fel. A kopás a rögzítések lazulásának előrehaladásával felgyorsul, és súlyos sérüléseket (pl. a horonyban rúdkilazulást) okoz. Időben elvégzett javítás, utólagos szalagtekercselés és epoxigyantás rögzítés, valamint a rendszeres ellenőrzés a legtöbb esetben biztosíthatja a további üzemelést. Ha mégis szükségesnek mutatkozik az újratekercselés, ezt ki kell használni a tekercsfej alapvető gerjesztőoldali javításaira, elsősorban a rezgés hatásainak megelőzésére.
Rezgéstanulmányok A változtatások meghatározására a gyártóvállalatok konstruktőrei, tervezőintézetek és mérnöki irodák előnyben részesítik a véges elemek módszerét (Finite-Element-Methoden, FEM). Ezzel a modern eljárással különböző anyagok felhasználásával lehet leképezni a tekercsfej összetett szerkezetét és meghatározni a gyűrűs alakzat önrezgési formáit és sajátfrekvenciáit. Az eljárás célja az üzem közbeni rezgésamplitúdók csökkentése és üzemzavar (rövidzárlat, hibás szinkronizálás) eseteire gondoskodás a rögzítőelemek stabilitásáról. Zavartalan üzemben pedig arra kell vigyázni, hogy a sajátfrekvenciák kellő távolságban legyenek az üzemi frekvenciától és annak kétszeresétől. Kétszeres üzemi frekvenciát az elektromágneses erők gerjesztenek, egyszeri üzemi frekvenciás rezgéseket viszont a forgó mozgás kiegyensúlyozatlansága vált ki a tekercsfejben. A tekercsfej különösen érzékenyen reagál a tekercsfejben uralkodó elektromágneses erők által keltett csomóponti rezgésre. Megfelelő tervezéssel a tekercsfej csomóponti sajátfrekvenciáját
– 100 Hz fölött (high tuning), vagy – 100 Hz alatt (low tuning) lehet tartani. Figyelembe kell azonban venni, hogy a rögzítők esetleges későbbi lazulása megváltoztatja a sajátfrekvenciákat. Az itt ismertetett tekercsfejsérülések alapján egy erőműben szükségesnek ítélték két régebbi vízhűtéses generátor (850, ill. 880 MVA) újratekercselését. A feladatra, az EU-direktíva szerint versenypályázatot írtak ki, felkínálva két lehetőséget: az állórész teljes áttekercselését új vezetőrudakkal vagy átdolgozást régi rudak felhasználásával. A versenypályázatot elnyert vállalat a tekercsfejek „low tuning” kivitelű áttekercselésére tett ajánlatot. A csomóponti rezgés maximális sajátfrekvenciáinak határértékeit rögzítették. Ezek megtartását ún. Bummpróbával („Bump-Test”) ellenőrizték, amely abból áll, hogy a tekercsfejet impulzuskalapáccsal megütik, majd a fejen elhelyezett gyorsulásérzékelővel mérik és elemzik a választ. A próba eredménye szerint a két állórész csomóponti rezgéseinek maximális tekercsfej-sajátfrekvenciája 84, ill. 86 Hz volt, ami megfelelt a szerződésben vállaltaknak.
Kitekintés Mind a régi generátorokkal, mind a már rendelkezésre álló innovatív konstrukciós és gyártási eszközökkel nyert üzemi tapasztalatok alapján ezeken a generátorokon sikerrel végezhetők átszereléses felújítások. A FEM-módszerrel rezgéstechnikailag optimált tekercsfejekkel és az egyidejűleg alkalmazott low-tuning kivitellel kapcsolatos hosszabb idejű tapasztalatok még hiányoznak ugyan, de a mérési eredményekből tartós konstrukciókra lehet következetni. Összeállította: Dr. Boros Tiborné Irodalom Bomba, R.; Gross, U.: VGB Datenbank Generatorschäden. = VGB PowerTech, 85. k. 11. sz. 2005. p. 87–92. Mohanta, D. K.; Sadhu, P. K.; Chakrabarti, C.: Deterministic and stochastic approach for safety and reliability optimization of captive power plant maintenance scheduling using GA/SA-based hybrid techniques: A comparison of results. = Realibility Engineering & System Safety, available online, 2006. febr. 7.
