AUTOREFERÁT disertační práce

FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

AUTOREFERÁT disertační práce

PLZEŇ, 2006

Ing. Václav Mareška

Ing. Václav Mareška

Diagnostika energetických zařízení paroplynového bloku ve Vřesové

obor

Elektroenergetika

Autoreferát disertační práce k získání akademického titulu "Doktor"

V Plzni, 2006 Disertační práce byla vypracována v kombinovaném doktorském studiu na katedře elektroenergetiky fakulty elektrotechnické ZČU v Plzni.

Uchazeč: Ing. Václav Mareška Sokolovská Uhelná, p. n., a. s. Staré náměstí 69, 356 00 Sokolov divize Zpracování, sekce Paroplynový Cyklus Školitel:

Doc. Ing. Jiří Laurenc, CSc. Katedra elektroenergetiky a ekologie FEL ZČU Univerzitní 26, Plzeň

Oponenti: Ing. Zdeněk Bučko, Sokolovská Uhelná, p. n., a. s. Doc. Ing. Emil Dvorský, CSc., KEE, FEL ZČU

Autoreferát byl rozeslán dne: Obhajoba disertační práce se koná dne: před komisí v oboru "Elektroenergetika" na FEL ZČU v Plzni, Univerzitní 26, Plzeň, v zasedací místnosti č. v hod.

S disertační prací je možno se seznámit na děkanátě FEL ZČU v Plzni, Univerzitní 26, EU202.

Prof. Ing. Miloš Beran, CSc. Předseda oborové subkomise Elektroenergetika

ABSTRACT The effectiveness of diagnostics of electrical machines and warning diagnostics especially has been confirmed more and more. Increasing requirements on service life and reliability of electrical machines can be realized only with use of modern diagnostic systems and methods. Periodical and continual measurements are unavoidable when equipment is installed on site (especially for large machines). The reason for it is, that they enable to detect inception of prospective defects in systems on time and due to this fact they help to prevent from accidents. Diagnostic methods are widely extended for appreciation of quality of equipments. Thesis familiarizes with existing diagnostic systems at CCPP Vresova and is seeking for solutions when there is store in present diagnostic access or information processing. Thesis is divided into several chapters. First three chapters are written in the nature of theoretical introduction to the questions of Combined Cycle Power Plants and of diagnostics. Introductory chapter familiarizes diagnostics and diagnostic systems. It concerns with fractionation of diagnostic systems, with diagnostic simulations and with mathematical predication of conditions of diagnosed object. This part should help to the persons concerned with designing of new diagnostic systems. Second chapter deals the thermodynamic of Combined Cycles. It describes fundamental principle of Combined Cycles and it shows ways leading to the enhancement of efficiency and reliability of CC. This part should help for perfection of operation effectiveness. Third chapter describes diagnostic system that is currently used at CCPP Vresova. Diagnostic system is fragmented in accordance with introductory chapter. Control systems for particular equipments are summarized, as well as off-line diagnostic methods. Thesis deals the solution for two problems after initiative chapters. First of them is suggestion of diagnostic system for accessory gear including prediction system. Signals that describe system are selected after initial measurements. Diagnostic system for accessory gear like a part of gas turbine control system is introduced on one of unit. There has not been any accident with gear since installation of this diagnostic system. In this context realised measurements and corresponding system were very effective. Author prospectively advises to involve prediction system into control system. Second particular issue undertakes CCPP from safety viewpoint. The main concern of this part is in combustion of lignite gas and in corresponding operation stages of complete system. Solution for burning of fuel nozzles of primary manifold is found in sufficient cooling of nozzles during all of operation stages. New detection of gases that are components of lignite gas and nature gas, it means of CO and CH4, is presented in upgraded diagnostic system. Next, UV detection responsive on burning of hydrogen gas is introduced in gas turbine compartment. New signals are divided in proper levels, and system shows corresponding alarms to the operator for particular levels, or is automatically performing safety sequences. New system was operating on first unit for one year in normal commercial operation without significant problems, or in other words the system is able to compete. Combustion spare parts were found in extremely good condition during combustion inspection that was made after mentioned yearlong operation. The same holds for the fuel nozzles of primary manifold. In this context realised innovations were very effective and due to this fact money were saved since there is not necessary to upgrade fuel nozzles (what brings additional costs due to exchanging of combustion section), and since costs for refurbishment of combustion spare parts are lower.

OBSAH

1. ÚVOD

5

1.1 1.2

5 6

Zaměření disertační práce Cíle disertační práce

2. OBECNĚ O DIAGNOSTICE

7

2.1 2.2

7 8

Diagnostické přístupy, systémy, vazby, modely Předpovídání poruch

3. TERMODYNAMIKA PAROPLYNOVÉHO CYKLU 3.1 3.2 3.3

9

Úvod, termická účinnost plynového oběhu Paroplynové oběhy Závěr

9 10 11

4. DIAGNOSTIKA PAROPLYNOVÉHO ZAŘÍZENÍ NA VŘESOVÉ

12

4.1 4.2 4.3

12 12 13

On-line diagnostické systémy Off-line diagnostické systémy Závěr

5. PROBLEMATIKA PŘEVODOVKY

13

5.1 5.2

13 14

Výsledky diagnostických měření Závěr

6. PROBLEMATIKA BEZPEČNOSTI A HOŘENÍ TRYSEK PRIMÁRNÍHO MANIFOLDU

14

6.1 6.2

15 15

Inertní poplachoví systém, nové prvky zavedené z pohledu bezpečnosti Závěr

7. SOUHRNNÝ ZÁVĚR

16

8. BUDOUCÍ PRÁCE V DANÉM OBORU

18

9. SEZNAM PUBLIKOVANÝCH PRACÍ

20

10. POUŽITÁ LITERATURA

21

Autoreferát disertační práce 1.

ÚVOD

1.1

Zaměření disertační práce

Využití každého energetického zdroje je spojeno jak s problémem technického zvládnutí, tak i s ekonomickou možností uplatnění. Nárůst spotřeby vedl postupně z důvodů ekonomické výhodnosti k oddělení výroby (těžby) a dodávky od spotřeby. Další technický pokrok vyústil v nutnost poznání zákonitostí mezi složkami energetického výrobního procesu a spotřeby s ohledem na ekonomické využívání zdrojů, omezení spotřeby a zachování prostředí pro další život lidí i ostatních živočišných druhů na zemi. Využívání energetických zdrojů přináší problémy, které mohou ve svém důsledku vést k brždění dalšího technického pokroku. Se vzrůstajícím rozvojem úrovně techniky a náročnosti požadavků vyspělé lidské společnosti naléhavě roste i potřeba ekonomizace využívání všech stávajících zdrojů energie a zmenšení negativního působení na okolní prostředí, zejména pak při procesech jejich zpracování. Přímým důsledkem těchto souvislostí se stávají požadavky na vysokou ekonomičnost výroby i provozování veškerých zařízení, podílejících se na výrobě, rozvodu, distribuci a spotřebě energie. Do popředí zájmů se tedy dostává snaha o zajištění spolehlivého, ekonomického a ekologického chodu všech těchto zařízení. Tato skutečnost je zejména důležitá u zařízení, jejichž porucha může způsobit ohrožení osob, dále pak má být tím větší, čím větší je ekonomická významnost daných zařízení (ztráty způsobené jejich poruchou). Nezbytnou podmínkou pro dosažení takových požadavků je především vysoká kvalita a spolehlivost provozovaných zařízení. Tuto spolehlivost lze definovat u každého prvku nebo systému ve dvou úrovních. V první fázi se jedná o spolehlivost nového zařízení, garantovanou jeho výrobcem a ve druhé fázi spolehlivost při jeho dlouhodobém provozování. První složka jednoznačně závisí na úrovni projekční práce, konstrukce, technologie, na odborné zručnosti montážních pracovníků a v neposlední řadě také na tom, jak kvalitně je rozvinuto zkušebnictví výrobce pro nová zařízení. Druhá složka spolehlivosti provozu během života prvku nebo zařízení respektuje vlivy, působící při provozování, dále způsob provozování, úroveň a průběh zatěžování, vliv okolních podmínek a odchylky od hodnot daných výrobcem, normami nebo jinými předpisy. Sem samozřejmě také patří kvalita obsluhy a úroveň i způsob údržby. V elektrotechnické praxi se čím dál tím více potvrzuje užitečnost diagnostiky a profylaktiky elektrických strojů a zařízení. Stále rostoucí požadavky na spolehlivost, životnost a bezpečnost provozu elektrických zařízení při jejich současně narůstající složitosti a trendu snižování nákladů na provozní údržbu, lze splnit jedině s využitím moderních diagnostických systémů a metod. Základním úkolem současné diagnostiky je, kromě včasného zjištění vzniklé poruchy na základě citlivé detekce a lokalizace všech změn ve struktuře objektu a ve změnách jeho chování, vznikajícím závadám předcházet. Po instalaci zařízení na místě provozovatele jsou pak zejména u velkých strojů nezbytná periodická i průběžná měření, která umožní včas odhalit vznik případného narušení systému a tím předejít havárii. Při posuzování různých diagnostických metod v provozu je nutné se řídit nároky na přerušení provozu, bezpečností metody z hlediska ohrožení stroje a relevantnosti metody. Výpovědischopnost dané metody patří mezi nejdůležitější kritéria pro posouzení vhodnosti jejího použití. Za obecný cíl všech metod lze považovat určení zbytkové doby života elektrického stroje, či krátkodoběji doby do jeho nutné odstávky. Pro posouzení kvality systémů elektrických strojů existuje celá řada diagnostických metod. Předmětem zájmu předkládané disertační práce je seznámení s již používanými diagnostickými systémy PPC Vřesová a hledání řešení v případech, kdy byla nalezena rezerva v přístupu k diagnostikování zařízení, či k zpracování informací.

5

Autoreferát disertační práce Vlastní obsah disertační práce je úžeji zaměřen na výklad principů diagnostiky elektroenergetických zařízení, termodynamiky paroplynových cyklů, kategorizaci současně používaných diagnostických metod PPC Vřesová a seznámení s dvěmi konkrétními problémy – problematikou převodovky a problematikou bezpečnosti při spalování tzv. energo plynu a s ní spojenou otázkou hoření trysek primárního manifoldu. Na tyto dva konkrétní problémy pak navazují vlastní měření navrhnutých veličin a sledování zařízení ve vytipovaných provozních stavech realizovaná na zařízeních paroplynového cyklu ve Vřesové. 1.2

Cíle disertační práce

V průběhu doby života objetu dochází u prvků a jednotlivých podsystémů objektů k nevratným fyzikálním a chemickým přeměnám spojeným se stárnutím, které mění celkový stav objektu. Vzhledem k tomuto stárnutí je nutné pomocí jistých obecných množin možných funkcí diagnostického systému provést výhled postupně vyvíjeného systému. V řadě případů se však v praxi setkáváme s tím, že úloha diagnostického systému je omezena pouze na poruchovou signalizaci (přímo či nepřímo). Z tohoto důvodu se autor v úvodu práce zabývá principy diagnostiky a vlastních diagnostických systémů. Vlastní práce se snaží čtenáři vysvětlit důležitost správně fungujícího diagnostického systému a ukázat výhody, které tento systém přináší. Jelikož se práce komplexně zabývá zvýšením účinnosti paroplynového zařízení, kde autor pracuje, obsahuje také pohled na termodynamiku celého cyklu. Autor se v této sekci podrobněji věnuje základním termodynamickým principům při různých modifikacích, zaměřuje se na účinnost celého cyklu a na základní faktory, které se podílejí na celé účinnosti. Vlastní práce také přináší pohled na energetickou aplikaci (uplatnění) paroplynových cyklů. Chce-li být podnik prosperující v tržním hospodářství musí poskytovat konkurence schopné produkty a služby. V našem případě se jedná převážně o elektroenergii (výkonovou hladinu, certifikované služby – primární, sekundární potažmo terciální regulace). Havárie zařízení (bloku) přináší velké ekonomické ztráty podniku, jelikož smlouvy uzavírané v elektroenergetice bývají dlouhodobé a jejich nedodržení je striktně penalizováno. Z těchto důvodů se do popředí provozování zařízení dostává otázka spolehlivosti, která je vždy kompromisem s ekonomickou otázkou. Autor seznamuje se současným trendem výrobních podniků – modernizací řídících systémů a zabývá se diagnostikou paroplynového zařízení ve Vřesové (v místě svého působiště). Kromě toho však také nastává diagnostika zařízení díky pochůzkové činnosti obsluhy, setkáváme se systémy přenosu dat, atd. Jelikož jsou všechny namáhané strojní součásti vystaveny stárnutí v průběhu času je pro uživatele strojního zařízení velmi důležité znát aktuální stav jednotlivých strojních dílů, zvláště před středními a generálním opravami, aby bylo možné naplánovat údržbářskou činnost se znalostí detailů. K těmto testům je používána především tzv. off-line diagnostika. Při bližším seznámení s paroplynovým zařízením přijdeme na to, že spolehlivost vlastního celku je odvislá od spolehlivosti řady dílčích komponentů. Autor nás seznamuje s problematikou pomocného převodovkového zařízení u níž se PPC Vřesová potýká s poruchami od roku 2004. Tyto poruchy opakovaně způsobily odstavení celého výrobního bloku s nemalými ekonomickými dopady. Autor se zabývá tímto zařízením a pokouší se navrhnout modernizaci diagnostického systému, jelikož se instalovaný diagnostický systém zařízení ukázal jako nevyhovující. V práci jsou určeny prvky objektu z hlediska výskytu poruch a možných stavů objektu, dále analyzovány signály charakterizující objekt, je zde provedena optimalizace sběru dat z měření objektu, z nichž je následně proveden výběr a volba vhodných sledovaných parametrů a diagnostických veličin. Ve vlastní práci je také

6

Autoreferát disertační práce popsán princip prognózy trendu stavu z níž je posléze vytvořen vývojový diagram pro deterministickou předpověď stavu diagnostikovaného objektu. V disertační práci je nastíněn fakt, že spolehlivost objektu je úzce propojena s provozní bezpečností. Autor rozebírá systém spalování z pohledu spalování tzv. energo plynu (vysoce vodíkového plynu). Zabývá se popisem plynového kabinetu v návaznosti na jednotlivé provozní stavy plynové turbíny a ukazuje provozně nebezpečné situace systému. Zároveň při tomto popisu objevuje úzkou návaznost hoření palivových trysek primárního manifoldu na provozních režimech celého soustrojí. Ve vlastní práci je navrhnuto řešení dané situace, na níž se měl autor díky svému zaměstnání příležitost podílet a instalace modifikované logiky spalování na jeden z bloků. Do diagnostického systému jsou přivedeny nové signály pro větší bezpečnost (ať již vlastního zařízení či osob). Po vyřešení jistých technických problémů se tento systém povedlo uvést do plně schopného komerčního provozu. V závěru práce se autor zabývá rozborem měření z převodovky a vysvětluje proč je vhodné zahrnout do vzniklého systému úlohu predikce trendu zařízení. Dále ukazuje, že se po dlouhodobém programu zaměřeném na provozní bezpečnost spalovacích turbín ve Vřesové, povedlo uvést do plně funkčního provozu systém, který minimalizuje nebezpečné stavy. Současně se díky tomuto systému a rozborům jednotlivých provozních stavů s následnou akceptací výsledků těchto rozborů povedlo vyřešit dlouhodobý problém hoření trysek primárního manifoldu. Je zřejmé, že toto hoření trysek sebou přinášelo velké ekonomické ztráty. 2.

OBECNĚ O DIAGNOSTICE

Technický stav objektu je souhrn vlastností objektu vystihující jeho schopnost vykonávat v daném okamžiku požadované funkce. Strukturní parametr technického stavu charakterizuje fyzikální, chemické a materiální vlastnosti. Procesní parametr charakterizuje procesní vlastnosti prvků podstatné pro cílové chování objektu a pro činnost objektu. Diagnostikovaný objekt je objekt aplikace technické diagnostiky. Diagnostická veličina (signál) je nositelem informace o technickém stavu objektu nebo jeho části. Analýza diagnostikovaného objektu rozpracovává metody měření a popisuje normální činnost objektu diagnózy, určuje prvky objektu z hlediska výskytu poruch a možné stavy objektu, analyzuje signály charakterizující objekt, sbírá a zpracovává soubor dat z měření objektu.

2.1

Diagnostické přístupy, systémy, vazby, modely

Obecně se technický stav diagnostikovaného objektu zjišťuje pomocí diagnostických signálů působících na objekt. Diagnostické signály mohou být testovací (stimulační) nebo funkční (provozní signály přímo generované pracovním režimem objektu). Diagnostické systémy lze rozdělit na manuální, automatické a počítačové. Výsledkem zjišťování technického stavu objektu (diagnostikované soustavy) je provozuschopnost (bezporuchový stav) nebo neprovozuschopnost (poruchový stav). Přítomnost poruchy vyvolá poruchovou signalizaci a následnou činnost diagnostického systému směřující k určení místa a druhu poruchy. Bližší určení poruchy slouží jako informace pro údržbu k žádosti o opravu a jako údaj pro evidenci a statistiku poruch vedoucí k návrhům na úpravu konstrukce objektu, na změnu provozních podmínek a změnu výroby (údaje pro operativní řízení provozu). Diagnostický systém kromě vlastní diagnostiky v reálném čase může na základě sledování trendu změn provádět i predikci, tj. předvídání budoucího stavu objektu. Úloha diagnostické geneze obsažena v analýze záznamu je post motorem k lokalizaci poruchy.

7

Autoreferát disertační práce

Obr. 1 Schéma funkčních vazeb při diagnostice

Diagnostické modely mohou být fyzikální – jedná se o hmotný, reálný objekt na stejném fyzikálním principu jako diagnostikovaný objekt nebo abstraktní – matematický model (přenosová funkce, schéma aj.).

2.2

Předpovídání poruch

Pokud považujeme poruchu za jev, který vznikl na daném objektu v důsledku postupného zhoršení stavu, potom je možné, pokud známe průběh změny stavu objektu, určit dobu, ve které je nutné vyměnit či opravit daný objekt, abychom předešli eventuální poruše. Předpovídání poruch je vhodný způsob vyjádření zhoršovaní stavu objektu a určení okamžiku, kdy je nutné provést opatření (výměnu, opravu atd.) s cílem předejít nečekaným poruchám.
Deterministické metody předpovídání Základní deterministický model prognózy předpokládá v průběhu klasifikování i sledováni a vyhodnocování vektoru gradientu X (t).

Obr. 2 Časový vývoj parametru X(t)

8

Autoreferát disertační práce Příští vektor příznaků můžeme vyjádřit: X(t+ε) = X(t) + λ∇ X(t), kde (1) λ - je časový krok v programu prognózy. Úloha předpovědi poruch je tedy představována úlohou předpovědi změny parametru vyjadřujícího stavu zařízení, který v určitém okamžiku dosáhne své kritické hodnoty xikr.
Statistické metody předpovídání Úkolem je na základě známých hodnot x(ti), kdy ti∈T1 (i=0,1,2,...,k), určit pravděpodobnost, že funkce x(t) nepřesáhne hranice dovolených hodnot: P(x){x(tk+m) - xnom(t)|≤ ‫ع‬dov}, kde (2) x(tk+m) jsou hodnoty sled. parametru v časových okamžicích tk+m ∈T2, xnom(t) je nominální hodnota parametru, ‫ع‬dov je povolená odchylka x(t) v oblasti T2. Přípravy a řešení úloh jak u analytické, deterministické, tak u pravděpodobnostní předpovědi se skládá v podstatě ze tří etap: První etapa - zahrnuje sběr dostatečného počtu údajů o kontrolovaných parametrech xi, které vyjadřují práceschopnost soustavy. Současně se provádí kvantitativní a kvalitativní vyhodnocení těchto údajů. Analýza parametru a pomocí kvantitativní analýzy údajů lze stanovit přesnější zákonitost změny funkce x(t) a také zvolit vhodný krok předpovědi. Druhá etapa - v této etapě se volí metoda předpovědi (analytická nebo pravděpodobnostní) a způsob předpovědi (přímý, nepřímý). Třetí etapa - představuje vlastní výpočtové operace předpovědi 3.

TERMODYNAMIKA PAROPLYNOVÉHO CYKLU

3.1

Úvod, termická účinnost plynového oběhu

Oběh plynové turbíny se liší od parního oběhu především tím, že pracovní látka nemění skupenství. To znamená, že stlačování pracovní látky se neděje čerpadlem, nýbrž kompresorem. U plynových turbín je teplo pracovní látce přiváděno a z oběhu odváděno pomocí výměníků tepla. Přiváděné teplo může být uvolňované spalováním paliva, obecně však může být přiváděno z jakéhokoliv zdroje o dostatečné teplotě. U otevřených oběhů se pracovní látka trvale vyměňuje a proto může být palivo spalováno ve spalovací komoře přímo v proudu pracovní látky. Takové plynové turbíny se nazývají spalovací. Základními prky oběhů plynových a spalovacích turbín jsou: kompresor, výměníky tepla pro přivádění a odvádění tepla, resp. spalovací komora pro uvolňování tepla z paliva, plynová turbína pro přeměnu tepelné energie v mechanickou, hnaný stroj (alternátor, čerpadlo, kompresor), startovací zdroj a případně palivové čerpadlo. Kombinacemi uvedených prvků lze uskutečnit oběh požadovaných vlastností. Odvádí-li se teplo z oběhu současně s pracovní látkou po expanzi do okolí a pro kompresi se nasává v okolí nové množství látky za daných klimatických podmínek, jde o oběh otevřený. V tom případě se teplo přivádí do oběhu spalováním paliva v proudu stlačeného vzduchu. Naproti tomu oběh uzavřený je charakterizován tím, že v plynovém turbínovém zařízení periodicky obíhá stále totéž množství plynné látky, přičemž přívod i odvod tepla se děje nepřímo přes přestupní plochu ohříváku, resp. chladiče. Oběh tepla s přívodem tepla při konstantním objemu se pro přílišnou složitost neuplatnil a vývoj se zaměřil na oběh s přívodem tepla při konstantním tlaku v proudu přívodního vzduchu. U těchto spalovacích turbín se přivádí palivo kontinuálně do spalovací komory, kde je spalováno při konstantním tlaku v proudu stlačeného vzduchu. 9

Autoreferát disertační práce Plynové turbíny se dnes nejčastěji stavějí jako spalovací turbíny s otevřeným oběhem a rovnotlakým spalováním. Nejrozšířenějším typem spalovacích turbín jsou turbíny s jednostupňovou kompresí, jednostupňovým spalováním a v jednohřídelovém provedení. Stejně jako u parního oběhu výpočet oběhu spalovací turbíny vychází z hmotnostní a energetické bilance. Termická účinnost plynových cyklů je hlavně závislá na teplotě spalin u prvního rozváděcího stupně, zatímco zvyšování účinnosti samotné spalovací turbíny lze provést převážně pomocí zvyšování kompresního poměru. Další možnou cestou zvýšení termické účinnosti je snížení teploty na vstupu do kompresoru, proto v zimním období lze dosáhnout u spalovacích turbín mnohem většího výkonu a lepší účinnosti než v létě.

Obr. 3 Průběh termické účinnosti ST s přívodem tepla při konstantním tlaku v závislosti na kompresním poměru

3.2

Paroplynové oběhy

Účinnost tepelných oběhů je tím vyšší, čím vyšší je střední teplota, při níž teplo do oběhu přivádíme a čím nižší je střední teplota, při níž teplo z oběhu odvádíme. Pro zlepšení účinnosti oběhu používáme řadu opatření, jimiž zvyšujeme střední teplotu, při níž přivádíme teplo a snižujeme teplotu pracovní látky v úseku, na němž teplo z oběhu odvádíme (přihřívání páry u parních oběhů, stupňové spalování a mezichlazení u oběhů spalovacích turbín, regenerace tepla apod.). Obdobným opatřením je též spojení parního a plynového oběhu s využitím jejich specifických vlastností. U oběhů spalovacích turbín přivádíme teplo při poměrně vysoké teplotě. U oběhů bez regenerace tepla je teplota vzduchu před spalovací komorou kolem 300 oC. Teplota spalin před turbínou je dnes 1100 – 1450 oC. Teplotní úroveň, při níž přivádíme teplo do oběhů spalovacích turbín, je tedy poměrně vysoká. Teplo však odvádíme rovněž při značně vysoké teplotě, takže termická účinnost tohoto oběhu je poměrně nízká. Teplota spalin po expanzi v turbíně je 400 až 575 oC a při této teplotě začínáme odvádět teplo do okolí. Při použití regenerace tepla je teplota, při níž odvádíme teplo, poněkud nižší, ale přesto je dosti vysoká. U parních oběhů přivádíme teplo v porovnání se spalovacími turbínami na nižší teplotní úrovni (např. 565 oC). Naproti tomu teplo odvádíme v kondenzátoru při podstatně nižší teplotě (např. 40 oC). Spojením obou oběhů využijeme jejich výhody a vznikne tzv. „paroplynový oběh“ (z termodynamického hlediska se stále jedná o dva oběhy: parní a plynový). Z termodynamického hlediska (zejména z hlediska přivádění tepla do oběhů) můžeme paroplynové oběhy rozdělit na sériově řazené, paralelně řazené a sériově paralelně řazené (kombinace). Je možné i mnoho dalších dělení, např. dle paliva, dle určení využití v síti,…

10

Autoreferát disertační práce

Obr. 4 TS diagram při předřazení oběhu spalovací turbíny před parní oběh

3.3

Závěr

Na rozdíl od parního oběhu, se kterým jsou již dlouholeté zkušenosti a u kterého nelze očekávat větší zvýšení účinnosti (pokud se extrémně nezvýší vstupní parametry), probíhá v současné době rychlý a intenzívní vývoj plynového oběhu, takže lze zaznamenávat zvyšování špičkových účinností v důsledku modifikací oběhu i zlepšování konstrukce spalovacích turbín. Vývoj a technická úroveň spalovacích turbín byl a i v současné době je limitován technickou úrovní strojírenství a to jak v oblasti technologické, tak teoretické. Jedna z cest zvyšování účinnosti plynových turbín je ve zlepšování konstrukce všech strojních částí, které přináší zvyšování účinnosti při dané teplotě a tlaku a zlepšování provozní spolehlivosti. Vývoj se zaměřuje také na využití různých plynů pro plynové turbíny (zemní plyn, nízko a středně výhřevný plyn ze zplyňování uhlí, plyn ze skládek a jiné) a také na vícepalivové řešení spalovací komory (kapalné a plynné palivo, nebo dva energeticky rozdílné plyny). Další možnost zvyšování účinnosti paroplynových cyklů je v modifikacích bloků (tuto část je možno zařadit do předchozího odstavce). Zde lze používat různé výměníky tepla, které snižují ztrátu výstupním teplem z celého bloku (např. výměník tepla, kterým se převádí teplo z výfukových plynů do komprinovaného vzduchu). Jinou z cest je zvyšování parametrů. Hlavním parametr, kterým zvyšujeme účinnost paroplynového cyklu je teplota spalin u prvního rozváděcího stupně T3, zatímco zvyšování účinnosti samotné spalovací turbíny lze provést převážně pomocí zvyšování kompresního poměru. Lze říci, že u většiny spalovacích turbín s větším výkonem než 40 MW, jenž jsou instalovány v kombinovaném cyklu je větším přínosem zvětšování účinnosti celého cyklu než samotné spalovací turbíny. Pro zvyšování teploty T3 se používají tepelné postřiky rozváděcích lopatek, chlazení (vzduchem, párou) a patřičné materiály (s dostatečnými tepelnými a mechanickými vlastnostmi). Shrnutím lze říci, že účinnost paroplynového zařízení závisí na dílčí účinnosti mnoha komponentů. Tyto komponenty mají svou funkci odvislou od svých vstupních veličin, které musí splňovat dané požadavky (proto např. u kompresoru se setkáváme s filtrací vstupního vzduchu). Termodynamická účinnost plynových turbín dnes přesahuje 35 %, účinnost paroplynových cyklů dosahuje přibližně až 58 % (na paroplynovém cyklu ve Vřesové je termodynamická účinnost plynové turbíny 34,8 %. Projektová účinnost paroplynového zařízení s kondenzačním provozem parní turbíny je 50,2 % a s uvážením tepla předaného topné vodě 54,3 %). Spalovací turbíny pro výrobu elektřiny si svými specifickými vlastnostmi postupně vydobyly v oblasti zásobování elektřinou nezastupitelné místo. Vlastností elektrické energie je skutečnost, že ji nelze skladovat. Tato nepříjemná vlastnost se projevuje v tom, že zatímco

11

Autoreferát disertační práce spotřeba může značně kolísat, její výroba v elektrárnách s parními turbínami ji může s ohledem na jejich regulační schopnosti sledovat pouze obtížně. To se projevuje zvláště v zemích s výrazným podílem výroby elektrické energie v jaderných elektrárnách, jejichž možnost reakce na výkyvy spotřeby je ještě omezenější než u klasických elektráren spalujících uhlí. Vlastností spalovacích turbín je schopnost rychlého najetí z klidu na plné zatížení a za provozu rychle reagovat na změny zatížení. V dobách, kdy spalovací turbíny nedosahovaly vysokých účinností, vedlo s ohledem na jejich relativní levnost, k jejich nasazení na krytí špiček a dále k použití jako nouzových záložních zdrojů. S postupem doby jak rostla účinnost těchto strojů, byly ve světě postupně zařazovány v elektrizační soustavě do oblasti pološpičkového provozu a konečně i ke krytí základního zatížení elektrizační soustavy. Podmínkou nasazení spalovacích turbín do oblasti krytí základního zatížení elektrizační soustavy, byl dostatek zemního plynu, případně kvalitních kapalných paliv. Protože Česká republika má pouze zanedbatelné vlastní zdroje zemního plynu a ropy a je v této oblasti odkázána téměř výhradně na dovoz, nelze v blízké budoucnosti počítat s nasazením velkých plynových turbín v oblasti krytí základního zatížení elektrizační soustavy snad kromě případů, kdy si jejich nasazení vynutí ekologické důvody. Spalovací turbíny však nachází uplatnění v oblasti krytí energetických špiček a dále jako záložní zdroje v elektrizační soustavě a nouzové zdroje v nemocnicích, hotelích a veřejných budovách. Ke splnění těchto úkolů je k dispozici škála spalovacích turbín v rozsahu výkonů od stovek kW po stovky MW. Ve Vřesové jsou plynové bloky nasazeny jak pro krytí základního pásma (umožňuje používání relativně levného vlastního plynu, tzv. energoplynu), tak i pro poskytování energetických služeb. 4.

DIAGNOSTIKA PAROPLYNOVÉHO ZAŘÍZENÍ NA VŘESOVÉ

4.1

On-line diagnostické systémy

Nejvyšší stupeň monitorovací techniky, která je stále ještě ve vývoji, představují tzv. expertní systémy. Mohou zaznamenat v paměti počítače několik set kombinací různých měřených hodnot a signálů, z nichž každou je možné na úrovní znalostí nejlepších expertů z daného oboru za potenciálně nebezpečnou situaci. Některé expertní systémy mohou vyznačit i stupeň pravděpodobnosti vyslovené diagnózy, stanovit doporučený zákrok, případně i naznačit riziko při neuposlechnutí tohoto doporučení. Převážná část on-line diagnostických metod je v současné době prováděna pomocí řídících systémů. S vývojem měřící techniky se počet i druh registrovaných hodnot rozrůstal. Hlavně příchod elektronických měřících systémů znamenal převratnou změnu v objemu registrovaných dat. Přestal být problém zaznamenávat měřené hodnoty instalovaných čidel nejrůznějšího charakteru, ale bylo nutné sáhnout k novým metodám zpracování údajů, aby operátor nebyl zahlcen obrovským množstvím vstupních údajů. V principu pouze data překračující určité nastavené meze, dále údaje signalizující nežádoucí trendy a kombinace různých hodnot, které v souhrnu představují nebezpečný stav jsou tak důležité, aby byly bezodkladně předávány operátorovi. Všechno naznačené zpracování a výběr provádí počítač. V současné době dochází na paroplynovém zařízení k celkové modernizaci těchto řídících systémů. 4.2

Off-line diagnostické systémy

V průběhu času jsou všechny namáhané strojní součásti vystaveny stárnutí. Můžeme rozlišit stárnutí čistě mechanického charakteru (opotřebení, únavové jevy), chemického původu (koroze a jiné chemické změny) a degradaci elektrických vlastností (ať už v důsledku

12

Autoreferát disertační práce zvýšené teploty či elektrického namáhání). V elektrických strojích se mohou navíc vyskytnout i další kombinované jevy, ovlivňující jejich životnost, jako koroze pod napětím (u některých nemagnetických materiálů), drážkové výboje (vznikající při vibracích vinutí v drážkách) aj. Pro uživatele strojního zařízení je proto velmi důležité znát aktuální stav jednotlivých strojních dílů, zvláště před středními a generálním opravami, aby bylo možné naplánovat údržbářskou činnost se znalostí detailů. Úkolem diagnostického měření je zkoumat podmínky a vlastnosti zařízení v provozu, odhalit defekty a anomálie jež by mohly eventuelně vést k poruše. V tomto smyslu se jeví diagnostika jako nejúčinnější prostředek k dosažení spolehlivosti zařízení. Na základě výsledků diagnostických metod, které se navzájem doplňují, je pak možné určit spolehlivost stroje v dalším provozu, prodloužit dobu mezi jednotlivými revizemi, případně snížit náklady na revize. Z dosažených výsledků je též možno posuzovat životnost stroje. 4.3

Závěr

Kvalita a spolehlivost strojů jsou rozhodující ukazatele jejich efektivnosti a ekonomie provozu. S rostoucím instalovaným výkonem roste i důležitost jejich bezporuchového provozu, neboť případná havárie nebo nucená odstávka stroje způsobuje velké ztráty energetické i finanční. Při bližším seznámení s paroplynovým zařízením přijdeme na to, že spolehlivost vlastního celku je odvislá od spolehlivosti řady dílčích komponentů a samozřejmě jejich vzájemných vazeb. Autor ve své práci zdůrazňuje tento fakt na konkrétních příkladech zejména u zařízení, která nejsou zálohovaná (ať již z technických či ekonomických důvodů). 5.

Problematika převodovky

Práce se úžeji zaměřuje na problematiku pomocné převodovky, vzhledem k tomu, že se jedná o jedno ze zařízení u nichž stávající diagnostický systém vykázal určité mezery. Provozovatel plynových turbín ve Vřesové se od roku 2004 setkával s opakovanými poruchami převodovkového zařízení. Tyto materiálové poruchy se projevují opotřebením (až úplnou degradací) ložisek převodovkového zařízení, dále se setkáváme s poruchami v ozubení pružných spojek jenž přenášejí kroutící moment z měniče momentu na převodovku a z převodovky na hřídel turbosoustrojí, v krajním případě došlo k poškození celého tělesa převodovky. Poruchy si vynutily velké ekonomické ztráty, vzhledem k tomu, že převodovka je funkčně řazena sériově s hlavní hřídelí turbosoustrojí, tudíž při její poruše nutně dochází k odstavení celého bloku. V práci je navrhnuté a posléze uskutečněné vibrodiagnostické měření na převodovkách obou bloků. Cílem těchto měření bylo posouzení a volba vhodných sledovaných parametrů a diagnostických veličin. Testovaná pomocná převodovka je převodové ústrojí, spojené pružnou spojkou s rotorem turbíny. Její funkcí je patřičnou rychlostí pohánět pomocná zařízení plynové turbíny. Mimoto obsahuje hlavní čerpadlo mazacího oleje, šroub překročení otáček a vypínací mechanismus. V krytu převodovky jsou ozubená soukolí, která zajišťují patřičné převodové redukce požadovaných rychlostí a momentů k pohonům pomocných zařízení. Mazání převodovky se provádí z tlakového ložiskového sběrače turbíny. 5.1

Výsledky diagnostických měření

Opakovaná vibrodiagnostická měření při různých provozních stavech na obou blocích vedla k poměrně detailnímu zmapování vypovídajících signálů. Autor přistoupil k jejich hodnocení za pomoci tzv. charakteristik polohy a charakteristik variability. Celkově lze

13

Autoreferát disertační práce výsledky zhodnotit faktem, že u žádných z prováděných měření turbosoustrojí nebyl zjištěn žádný abnormální stav, který by vedl ke zničení ložisek. Nejpravděpodobnější příčinou poškození ložisek se jeví zvýšené dynamické síly pocházející pravděpodobně ze spojek. Tuto složku je pravděpodobně možné snížit provozním dovyvážením. Na základě provedených měření se pro zabezpečení převodovky jeví jako nejspolehlivější veličina měření relativních vibrací pastorku na straně měniče momentu a na straně ke kompresoru (H2 a H3). Tyto signály by měli být dostatečně vypovídajícím zdrojem o zhoršujícím se stavu zařízení a při jejich registraci by bylo možné předcházet haváriím zařízení. Chvění ložisek převodovky TG21

Chvění ložiska č. 1 (vložená hřídel)

Chvění ložiska č. 2 (měnič momentu)

70 60 y = 0.1107x + 59.687

Vibrace

50 40 30 20 y = 0.0645x + 26.439 10

18.4.2006 9:16

17.4.2006 22:32

17.4.2006 0:00

17.4.2006 11:48

16.4.2006 2:00

16.4.2006 12:44

15.4.2006 5:37

15.4.2006 15:49

14.4.2006 9:14

14.4.2006 19:25

13.4.2006 22:30

13.4.2006 0:30

13.4.2006 11:46

12.4.2006 3:35

12.4.2006 14:18

11.4.2006 6:07

11.4.2006 16:51

10.4.2006 8:39

10.4.2006 19:23

9.4.2006 21:23

9.4.2006 11:12

8.4.2006 23:56

8.4.2006 1:24

8.4.2006 12:40

7.4.2006 3:56

7.4.2006 15:12

6.4.2006 4:52

6.4.2006 16:40

5.4.2006 7:56

5.4.2006 18:08

4.4.2006 20:40

4.4.2006 10:29

3.4.2006 23:13

3.4.2006 12:29

0

Datum

Obr. 5 Lineární trendy chvění převodovky pro deterministickou předpověď stavu zařízení

5.2

Závěr

Díky provedeným zkušebním měřením byl na pomocné převodovce realizován permanentní systém diagnostiky, který má předcházet haváriím zařízení. Autor se dále v této části práce zabývá návrhem předpovědi vývoje trendu a z něho plynoucím informativním hlášením pro operátora. Vzhledem k charakteru sledovaných diagnostických veličin zvolil autor deterministickou metodu předpovědi (se zahrnutím provozních stavů při nichž mají diagnostikované veličiny nestacionární charakter). 6.

Problematika bezpečnosti a hoření trysek primárního manifoldu

V poslední kapitole disertační práce se autor zabývá bezpečnostním hlediskem při spalování tzv. energoplynu. Charakteristickým prvkem tohoto plynu, vznikajícího ze spalování hnědého uhlí, je vodík. Vodík (a tím i energo plyn) má poměrně velmi široké meze výbušnosti a relativně nízkou teplotu vznícení. Ve spalovacím systému na Vřesové však při běžných provozních stavech docházelo k míchání energo plynu se vzduchem (z kompresorové části turbosoustrojí) a tím i k určitému riziku vytvoření výbušné směsi. Z tohoto důvodu se kolektiv pracovníků paroplynového zařízení, mezi jehož členy patří i autor, pokoušel najít vhodné řešení dané situace tak, aby systém byl dostatečně spolehlivý, technicky co nejednodušší a ekonomicky co nejméně náročný a v takové podobě, aby přebral všechny výhody starého systému (z pohledu mixu plynů, výkonových hladin, rychlosti najíždění) či je pokud možno ještě vylepšil. Vzhledem k rozborům, které bylo nutné provést pro vymezení všech možných rizikových stavů a jistým měřením, které proběhly, se shledalo, že do otázky

14

Autoreferát disertační práce zavádění inertního poplachového systému je také vhodné zahrnout otázku nadměrného hoření trysek primárního manifoldu, která přinášela provozovateli velké ekonomické dodatečné výdaje. Jak se ukázalo zmíněnými rozbory hlavní příčina hoření trysek spočívala v nedostatečném chlazení těchto trysek v okamžicích kdy jimi neprocházel plyn (kdy turbína přestávala spalovat zemní plyn a přejížděla na energo plyn, či respektive kdy přejížděla z provozu přes dva rozvody plynu na jeden a naopak). 6.1

Inertní poplachoví systém, nové prvky zavedené z pohledu bezpečnosti

Vzhledem k tomu, že v současné době dochází k modernizaci řídících systémů pro paroplynová zařízení, mezi jiným i k z modernizovaní systému pro řízení plynových turbín Mark V, který přechází na systém na Mark VI a vzhledem k nutnosti zavedení inertního proplachového systému, SU rozhodla, že zavedení bezpečnostních prvků do spalování bude realizováno spolu s touto modernizací. V první fázi bylo provedeno seznámení zainteresovaného personálu (techniků) s požadavky české a evropské legislativy. Dále bylo nutné vyřešit řadu problémů ať již technických či ekonomických (daných změnou výrobní technologie). Jako inertní plyn byl po rozborech zvolen dusík. Pro zdroj dusíku byla vybrána kryogenní technologie, kdy je dusík skladován v kapalné formě ve stabilním kryogenním zásobníku, odkud je čerpán kryogenním čerpadlem, odpařován pomocí atmosférického odpařovače a dohříván na potřebnou teplotu pomocí elektrického dohřívače. Plynný dusík je skladován ve svých zásobnících, které jsou automaticky doplňovány dle potřeby tak, aby byla vždy garantována zásoba plynu pro případ potřeby inertizace. Ze zásobníků plynu je potom dusík odebírán do potrubí ke spotřebiči, přetlak plynu je regulován pomocí redukčního panelu. Financování stavby bylo vyřešeno vystavěním proplachového systému (a jeho přivedení ke spotřebiči, nebo-li k plynovým kabinetům) společností LINDE a následným pronájmem technologie společnosti SU. Celý řídící systém byl rozšířen o nové prvky detekce CO, CH4 a UV detektorů. Z pohledu bezpečnosti i šetrnosti k zařízení bylo přistoupeno na zapalování obou turbín na zemní plyn.

Obr. 6 Schéma plynového hospodářství se zahrnutím dusíkového systému

15

Autoreferát disertační práce 6.2

Závěr

Roční provoz bloku s implementovaným inertním proplachovým systémem lze zhodnotit jako velmi uspokojivý tzn., že se blok osvědčil při poskytování elektrické energie a služeb pro provozovatele PS (SR, TR). Po vyjmutí všech 14 těles spalovacích komor, nebyl shledán na žádné z EP ani ZP trysek trhlinový defekt. 7.

SOUHRNNÝ ZÁVĚR

Vlastní práce byla zaměřena na diagnostiku paroplynového zařízení (cyklu), za účely zvýšení jeho účinnosti, spolehlivosti a provozní bezpečnosti. V prvním z konkrétních problémů současných diagnostických a řídících systémů byl navržen diagnostický systém pro problematiku převodovky v souladu s konceptem pro diagnostické systémy, jenž je vytvořen v úvodní části vlastní práce. Nejprve byly hledány příčiny poškození monitorováním vibrací plynové turbíny lokalizované na PPC Vřesové ve výkonovém rozsahu pro blok daným najetím, výkonovou hladinou 30 a 60 MW. Měření měly pokud možno objasnit příčiny vzniku poškození ložisek převodovky a vlastního tělesa převodovky, dále pak poskytnout dostatečné množství dat pro další zpracování a návrh vlastního diagnostického systému. Statistickým zpracováním naměřených dat (za pomoci převážně střední hodnoty neboli charakteristiky polohy a maximálních a minimálních vyskytujících se hodnot neboli charakteristik variability s ohledem na jejich četnost) bylo zjištěno, že během najíždění (v oblasti cca 1700 až 1990 ot/min) dochází ke značným vibračním rázům; celková úroveň absolutních vibrací je nízká; ve frekvenčních spektrech se vyskytuje nevýrazná otáčková složka 50 Hz, její dvojnásobek a celá řada frekvenčních složek, souvisejících se záběrem ozubených kol převodové skříně a čerpadla (úroveň zubových frekvencí lze zhodnotit jako nízkou); pastorkový hřídel při odstaveném TG neleží ve své nejnižší poloze, ale je vnějšími silami po stažení spojek vychýlen do určité polohy v horizontálním směru, po najetí je reakční silou od ozubení vtlačován do horní poloviny pánve. Celkově lze výsledky získané z měření sumarizovat konstatováním, že u všech prováděných měření turbosoustrojí (najetí, výkon 30 a 60 MW) nebyl zjištěn žádný abnormální stav, který by vedl ke zničení ložisek. Nejpravděpodobnější příčinou poškození ložisek se jeví zvýšené dynamické síly pocházející pravděpodobně ze spojek. Tuto složku je pravděpodobně možné snížit provozním dovyvážením sestavy vloženého hřídele (které však je prakticky velmi náročné, jelikož se skládá z vlastní hřídele a dvou spojek). Po kvantitativním a kvalitativním rozboru naměřených výsledků je provedena optimalizace sběru souboru dat, jako nejspolehlivější signály pro zabezpečení převodovky byly shledány měření relativních vibrací pastorku na straně měniče momentu a na straně ke kompresoru. Tyto signály jsou dostatečně vypovídajícím zdrojem o zhoršujícím se stavu zařízení a při jejich registraci je možné předcházet haváriím zařízení. Všechny tyto rozbory vedly k realizaci diagnostického systému, který je v současnosti obsluhou zařízení využíván pro předcházení poruch zařízení. Autor se dále ve vlastní práci věnuje návrhu systému předpovědi stavu zařízení pomocí analytické metody, za použití linearizace signálů pomocí metody nejmenších čtverců, s ošetřením různých provozních stavů. Sytém nepoužívá filtraci vstupního signálu, jelikož jak se ukázalo z provozních zkušeností se zařízením, může být také použit pro diagnostikování uvolnění pomocných zařízení startovací jednotky. Drobné chyby měření jsou vzhledem k vzorkovací frekvenci (a tím i k jejich četnosti) zanedbatelné při tvoření prognózy. V systému prognózy stavu zařízení jsou navrhnuty hodnoty, kdy je vhodné přestoupit k revizi, či je nutné odstavit zařízení a postup kdy a kam, až je možné tyto hodnoty měnit (tak, aby systém zůstal v souladu s ČSN ISO 7919-3). Pro větší přehlednost a snazší počítačovou realizaci navrhnutého diagnostického systému je v práci vytvořen vývojový diagram (model optimálního diagnostického systému).

16

Autoreferát disertační práce V současné době je realizováno měření na inkriminovaných zařízeních pro oba bloky, dochází ke sběru dat z měření a jejich převodu na grafy pomocí interního systému Active Factory. Během letní generální opravy byly signály z převodovky druhého bloku přivedeny do řídícího systému inkriminované spalovací turbíny. Přínos tohoto měření je nesporně dán faktem, že od instalace daných čidel nedošlo k havárii převodovkového zařízení. U druhého konkrétního problému (otázka zabývající se bezpečnostní při spalování energo plynu a nadměrným hořením palivových trysek) autor ukazuje cestu k řídícímu a diagnostickému systému, který je vhodný pro použití na paroplynové elektrárně ve Vřesové. Do řídícího systému jsou přivedeny nové diagnostické signály, které mají zaručit dostatečnou bezpečnost (mimo jiné dané platnou legislativou) a dostatečné chlazení trysek sekundárního manifoldu při všech provozních stavech (primární manifold je díky modifikaci logiky spalování vždy chlazený). Tato kapitola ukazuje oproti předchozímu případu poněkud odlišnější přístup k diagnostikování zařízení. Nejprve je popsán konkrétní původní diagnostický a funkční systém, v němž dochází k z provozního hlediska choulostivým (nebezpečným či materiálově nadměrně degradujícím) záležitostem. První krok, který museli tvůrci řešit bylo úprava vlastního principu systému, tzn. zavedení inertního proplachu (přivedení média novými potrubími, přes nové ventily, clony, nové odfuky, koncové spínače, diferenční spínače, atd.). Po patřičných propočtech bylo také zvětšeno potrubí z odběru kompresoru CPD (chladící potrubí) ze 4“ na 6“. Další záležitostí, kterou je možno zařadit do této první etapy, je zavedení paralelní cesty v inertním systému (ve výkresech značená 2A) z důvodu dostatečného chlazení trysek během všech provozních stavů – tato cesta byla zvolena po patřičných simulacích konkrétního provozu. V této části bylo nutné vyřešit také technické problémy nových zařízení (jejich ovládání např. pomocí dusíku, jednotlivé tlaky a průtoky médií, atd.). Druhá etapa (která v některých případech probíhala souběžně), byla v zavedení všech signálů z těchto zařízení (získaných převodem patřičnými převodníky) do logiky řídícího systému Marku VI (pracuje na principu klopných obvodů). Pro větší bezpečnost plynového zařízení a osob byl diagnostický systém rozšířen o další detekce hlídající přítomnost či stopy hoření plynných paliv (CO, CH4 detekce a UV detekce). Signály těchto detekcí jsou přetříděny do jednotlivých pásem a podle hodnoty signálu je dávána operátorovy signalizace o výskytu nebezpečí či jsou systémem automaticky prováděny kroky pro zabránění nebezpečí (přejetí na zemní plyn, odstavení zařízení) dle logických sekvencí popsaných v disertační práci. Třetí etapa se skládala z vlastní instalace celého systému a jeho uvedení do provozu. Systém byl instalován na prvním bloku a uvedení do provozu proběhlo během října 2005 (po prodloužené HGPI – tří měsíční odstávka). Od této doby do současnosti probíhalo vylaďování systému, tzn. jednotlivých hladin, velikostí průtoků médií, atd. a zároveň probíhal zápis a zpracování všech dat tak, aby systém mohl být instalován během generální opravy také na druhém bloku, což se úspěšně podařilo a provoz druhého bloku s modifikovaným spalováním byl uveden do komerčního provozu 1. září 2006. V souvislosti s nedávnou letní odstávkou zařízení (inspekcí spalování) lze konstatovat, že systém zachází se zařízením velmi šetrně (včetně trysek sekundárního rozvodu) jinými slovy, že se osvědčil. Přínos modifikace logiky spalování je nesporně dán větší bezpečností systému a šetrnějším zacházením se spalovací částí, což provozovateli přináší zmenšení výdajů na repasování dílů a také díky dostatečnému chlazení trysek obou manifoldů nemusí uvažovat o dalších investičně nákladných modifikacích. Autor k celé práci vytvořil přílohu obsahující názorné schémata, tabulky, grafy, záznamy měření, obrázky, zápisy, portfolio či nabídku, která přispívá k lepšímu pochopení a orientaci v dané problematice.

17

Autoreferát disertační práce 8.

BUDOUCÍ PRÁCE V DANÉM OBORU

Pro efektivní návrh a činnost diagnostického systému je vhodné, je-li jeho projekt součástí projektu řídícího systému. Možnost vytvářet diagnostický systém již ve fázi projektu diagnostikovaného objektu otevírá cestu k dosažení kvalitnější realizace diagnostického systému. Návrhy na zajištění diagnostikovatelnosti musí být zpracovány již ve stádiu technického projektu ve formě konstrukční dokumentace, která je doplňkem technického rozboru na vývoj výrobku. V návrzích musí být uvedeny druhy, úrovně a rozsahy stimulujících a kontrolovaných signálů a posouzeny možnosti zajištění kontrolovatelnosti. Avšak zkušenosti nám ukazují, že v zhledem k rozsáhlosti diagnostikovaných zařízení a jejich charakterizujících signálů vždy nedochází (a ani nemůže docházet) k zahrnutí dokonalého diagnostického systému do řídícího. Současná filozofie prostředí paroplynového celku ve Vřesové spočívá v modernizaci řídících systémů. Faktem zůstává, že žádné modernizace řídících systémů nepovedou k dostatečnému zefektivnění výroby pokud nebudou zahrnovat choulostivá místa řízeného celku. Modernizace řídících systémů sama o sobě přináší eliminaci chyb vlastních systémů (např. ve způsobu zpracování signálů) a ulehčení práce v ovládání zařízení pro operátora (i když i zde převládají individuální názory a je zřejmé, že každému vyhovuje jiný systém). Jenže tyto chyby nemusí být chybami stěžejními. Mezi nejproblémovější místa systému obvykle patří nezálohovaná základní zařízení, případně signály vedoucí ze zařízení, přes tzv. koncové spínače, různé detektory, atd., zprostředkovávajícími komunikaci mezi vlastním zařízením a řídícím systémem. Nezřídka se stává, že tyto prvky vzhledem k prostředí ve kterém fungují zklamou. V této otázce může pomoci volba správného řídícího systému, zálohování signálů či zkušenosti operátora k jistému řešení (např. systém při rozdílné hladině dvou a více signálů z relativně stejného prostoru oznámí operátorovi, že diference mezi signály je nepřiměřeně velká, operátor může zjistit funkci čerpadel nejen z polohy koncových spínačů, ale také z amperického zatížení daného čerpadla, apod.), ale ani nejdokonalejší řídící systém nám nepomůže, pokud nemá přivedené signály z daných zařízení, či je nepoužívá ve svých algoritmech. Proto je nutné se vždy při diagnostice budoucích objektů věnovat správnému výběru co nejvíce vypovídajících signálů a jejich zahrnování do vlastního systému pokud možno tak, aby nedocházelo k přehlcování údaji. Dále je nutné si uvědomit, že měření prováděná výrobci nejsou vždy realizovatelná po instalaci zařízení do provozu (a většina vyrobených zařízení je určená pro běžné provozy a ne pro laboratorní podmínky). Přitom každý z provozů má své specifické podmínky (dané prostředím, provozními režimy zařízení) a všechny diagnostické metody (či intervaly mezi nimi) by měly být přizpůsobeny konkrétním podmínkám. Zařízení v elektrárenském provozu patří mezi jedny z nejvíce namáhaných a přitom ne vždy se setkávají s takovou pozorností, jak by si od provozovatele vzhledem k jejich důležitosti v návaznosti na celý systém zasloužili, čímž si nakonec provozovatel škodí sám sobě. Jedno ze zařízení, které spadá do výše zmíněné kategorie a které si autor vzal za předmět svého zájmu je pomocná převodovka. Jedná se pouze o jedno ze zařízení které nemají zálohování a jsou pro funkci bloku nezbytná (v těchto případech z technických důvodů) mezi další můžeme zařadit např. ventilátory hlavních prostor (plynové turbíny, sekce zátěže, …). Autor pro zvolené zařízení ukazuje cestu k vytvoření funkčního diagnostického systému se zahrnutím predikce, která má předcházet případným haváriím (má zachytit okamžik, kdy je vhodná revize zařízení a její naplánování např. do běžné opravy). Práce ukazuje, že diagnostika zařízení paroplynového cyklu umožňuje s pomocí vyhodnocení řady dílčích poznatků z konkrétních měření a provozních zkušeností, koncipovat metodiku pozorování aktuálního stavu zařízení a odhad budoucího stavu a doporučuje zahrnutí navrhnutého systému predikce do řídícího systému (určité zautomatizování tak, aby provozovatel předcházel lidské chybě, či nepozornosti, která není výjimečná vzhledem

18

Autoreferát disertační práce k množství dat jimiž je operátor zahlcován). Pro zařízení spadajících do tohoto zařazení by bylo vhodné pokračovat v započaté cestě a navrhnout systémy, či diagnostické postupy (ať již on-line či off-line), jenž povedou k včasnému odhalení poruch, v případě možnosti zahrnout tyto systémy do řídících systémů. Dále by bylo vhodné rozvíjet statické zpracování získaných dat v návaznosti na provozní režimy a stavu s nimi souvisejících pracovních médií, případně stavu celého bloku, které může vést k určení příčin poruch (ke kombinacím stavů jenž způsobují extrémní namáhání danému zařízení). Povede-li se zahrnout kroky předcházející kombinacím nepříznivých stavů do samotných řídících systémů, je možné prodloužit životnost a spolehlivost daných zařízení, tím omezit případné havárie celého systému a zefektivnit chod celého bloku (případně dané soustavy), což by mělo být přirozenou snahou každého provozovatele. Vlastní práce se zabývá také otázkou bezpečnosti, která je velmi důležitým ukazatelem při provozu zařízení. Jelikož při tvorbě změny logiky spalování, bylo díky správnému rozboru dat a provozních stavů přispěno k šetrnějšímu způsobu zacházení s plynovým zařízením, vznikly provozovateli úspory při následných opravách (nákupech) dílů. Pokračování v této části, stejně jako v předcházející, spočívá v dalším sběru a zpracování dat, který povede k postupnému zdokonalování systému. Dále z práce vyplívá trend budoucího vývoje obnovy komponentů spalovací části. V termodynamické kapitole je nastíněn vývoj ve výzkumu materiálů a tudíž po dokončení životnosti stávajících dílů je vhodné nahrazovat tyto díly modifikovanými (ať již vlastním materiálem, postřikem, technologií zpracování,…), jelikož dovolují zařízení provozovat při vyšších teplotách, čímž zvyšují účinnost celého bloku. Cenový rozdíl mezi cenou nových up-gradovaných prvků a původním typem bývá vzhledem k zvýšení efektivity bloku velmi rychle návratný, nemluvě o prodloužení životnosti modifikovaných dílů. V kapitole termodynamiky jsou zmíněny i různé modifikace celého bloku, avšak tyto modifikace vyžadují velký zásah do vybavení zařízení (jsou ekonomicky příliš nákladné) nato, aby našli uplatnění ve stávajícím provozu (všeobecně vzato výhledem by mohli najít uplatnění při případné obnově teplárenské části). Je vhodné si uvědomit, že ač je zařízení konkrétního paroplynového cyklu ve Vřesové zatím poměrně mladé a moderní (uváděn do provozu v letech 1995 – 1996) bude docházet k jeho postupnému stárnutí (urychlenému zmíněnými nepříznivými vlivy). Případné poruchy jednotlivých zařízení či celých funkčních celků by měli vyzdvihnout současný světoví trend, zdůrazňující důležitost diagnostiky, která bývá prováděna za pomocí moderních digitálních měřících systémů, které díky svým pokročilým vyhodnocovacím funkcím poskytují uživatelsky příjemný komfort při zpracování výstupních dat. Prioritou budoucí diagnostické činnosti by tak mělo být postupné rozšiřování její působnosti a zdokonalování metodiky vyhodnocování pořízených záznamů (pravděpodobně digitálních). Zvláště pak by bylo vhodné se zaměřit na problematiku pokročilého zpracování naměřených dat pomocí specielních softwarových programů využívajících nástrojů matematické statistiky. K tomuto účelu bude potřeba provést dostatečně velký soubor měření na daných zařízeních. Dále by bylo vhodné, aby provozovatel sledoval krok v diagnostice nejdůležitějších výrobních zařízení – např. generátorů a vzhledem k jejich postupnému stárnutí začal uvažovat o rozšiřování on-line diagnostického systému u těchto zařízení (např. o on-line monitorování částečných výbojů turbogenerátorů) tak, aby za pomocí sledování trendů svědčících o stavu daného systému zefektivnil výměnu či opravu konkrétních součástí na stav, kdy je potřebné je měnit (ne dle předem daného harmonogramu, který nemůže efektivně odrazit zacházení s konkrétním zařízením). Všechny investice vedoucí k monitorování aktuálního stavu zařízení a k určování vývoje budoucího stavu by měly být poměrně velmi rychle návratné přes zmíněně aktuálně pracující systémy plánování oprav, zásobování a předcházení haváriím. Dále by všechny informace, které budou získány následným diagnostikováním měly pomoci při komunikaci s danými výrobci zařízení pro specifikaci požadavků na nové díly (přizpůsobování výrobku danému provozu, eliminaci slabých míst).

19

Autoreferát disertační práce 9.

SEZNAM PUBLIKOVANÝCH PRACÍ

Mareška, V.: Analýza částečných výbojů v izolaci transformátorů vn pro napájení dálkově ovládaných odpínačů. Diplomová práce, Plzeň, FEL KEE, ZČU 2002.

Mareška, V.: Úvod do měření částečných výbojů. In: Elektrotechnická měření, Plzeň, FEL KEE, ZČU 2004.

Mareška, V.: Spolehlivost provozu DS v podmínkách liberalizace trhu a růstu decentralizovaných zdrojů. In: Spolehlivost v elektroenergetice, Plzeň, FEL KEE, ZČU 2004.

Mareška, V.: • Breakdowns in insulating materials (liquids, solids, high vacuum, composites) and requirements on insulating materials. Plzeň, FEL KAJ, ZČU 2004.

Mareška, V.: Analyses of partial discharges in insulation of high voltage transformers for supply of remote-controlled switch isolators. Plzeň, FEL KAJ, ZČU 2004.

Mareška, V.: Měření a diagnostika na paroplynovém kombinátě ve Vřesové (práce v rámci řešení výzkumného záměru MSM 4977751310 – Diagnostika interaktivních dějů v elektrotechnice). Písemná práce ke státní doktorské zkoušce, Plzeň, FEL KEE, ZČU 2006. Mareška, V.: • Systém bezpečné práce pro používání mostových jeřábů na paroplynovém cyklu. In: Interní dokument SU, p. n., a. s., Vřesová 2004. Stanka, P., Mareška, V.: Provozní předpis spalovací turbíny Frame 9E. Aktualizace o prvky řídícího systému Mark VI a inertního poplachového systému. In: Interní dokument SU, p. n., a. s., Vřesová 2005.

20

Autoreferát disertační práce 10.

POUŽITÁ LITERATURA

[1] M. Průcha – K. Čermák – B. Světlík: PPC Vřesová Provozní předpis elektrárny, ABB První brněnská strojírna Brno, s. r. o., září 1994. [2] European Gas Turbines: Vresova combined cycle power plant, block no 1 or 2, 2GT PG 9371 E – Contract nr 058/09/1993 Operation and maintenance manuals, Volume 1 – 23, GEC Alsthom, 93/03. [3] GE Energy: GEK 111033 Safety recommendations, GE Energy, 2004. [4] J. Kadrnožka: Tepelné elektrárny a teplárny, SNTL Praha 1, 1984 [5] J. Klág: Parní a plynové turbíny, Státní nakladatelství technické literatury, n. p., Praha 2, 1959 [6] M. Kolovratník: Energetické stroje, ČVUT FST, Praha, 1996 [7] Mentlík, V.: Diagnostika elektrických zařízení, přednášky 2001. [8] Vorlíček: Technická diagnostika. Praha, SNTL, 1988. [9] J. Hyrát – J. Kopeček: Měření vibrací, Profess, spol. s. r. o. 2005. [10] GE Energy services technology, customer technology services: Technical information letters t15283, t15243r1, t15243, t15201, t15128, 2004 – 2005.

Seznam použitých protokolů [11] B. Kunc: Defektoskopická kontrola plynové turbíny TG11 Manifold – havárie, 2003. [12] Energoservis, spol. s. r. o.: Protokol o defektoskopické kontrole, Regulační ventil energoplynu VGC 11, protokol EnS 597/2003/765, 2003. [13] Z. Pospíšil: Protokol o zkoušce prozářením, Defektoskopie OK, 2003. [14] B. Kunc: Protokol o defektoskopické kontrole metodou ultrazvukovou, Regulační ventil JS 200, 2003.

Zápisy z jednání konaných mezi firmou GE a SU [15] 11.1.04 Essen; 10.2.04 Essen; 5.3.04 Vřesová; 6.4.04 Vřesová; 2.6.04 Vřesová; 7.12.04 Essen; 5.5.05 Essen.

Nabídky firmy GE společnosti SU [16] GE Energy Parts, Inc: Quotation 5134427 on fuel nozzles, 2004. [17] General Electric International Inc.: Quote 160251AGW on purge system, 2005.

Normy a nařízení vlády [14] Nařízení vlády č. 23/2003 Sb. (ATEX 100a). [15] Nařízení vlády č. 406/2004 Sb. (ATEX 137). [16] ČSN EN 746-2 Průmyslová tepelná zařízení. 21

Autoreferát disertační práce [17] ČSN EN 1127 Výbušná prostředí. [18] ČSN EN 60079 Elektrická zařízení pro výbušnou plynnou atmosféru. [19] ČSN EN 50014 Nevýbušná elektrická zařízení. [20] ČSN ISO 7919-3 Vibrace strojů.

Publikované články [21] P. Schuster, D. Praks: Realizace paroplynových zařízení z pozice dodavatelů, Teplo, technika, teplárenství, 1/2003. [22] Z. Bučko: Paroplynové cykly, Interní dokumenty SU, p.n., a. s., 1995

22