Исследование температурного поля обмоток мощного турбогенератора для целей диагностики

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ.

ДИАГНОСТИКИ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ.

Развитие мировой электроэнергетики, в том числе и в развивающихся странах, сопровождается непрерывным ростом единичных мощностей турбогенераторов и повышением требований к их надежности. Это осуществляется путем применения новых прогрессивных конструктивно-технологических решений и улучшения качества выпускаемых машин.

Одной из главных категорий качества современных электроэнергетических машин является эксплуатационная надежность. Повышение их надежности является одной из актуальных проблем мирового и отечественного электромашиностроения. Эффективным способом повышения надежности работы электрогенераторов является автоматическая диагностика неисправностей. Задача диагностики заключается в определении действительного состояния машины в условиях эксплуатации или при заводском контроле с тем, чтобы своевременно обнаружить (или предсказать) отдельные неисправности и установить причины их возникновения. Результаты диагноза позволяют предотвратить внезапные отказы и служат основанием для принятия решения о дальнейшем использовании машины или о характере предстоящего ремонта или технического обслуживания. Таким образом, задача технического диагноза турбогенераторов является сложной, но актуальной проблемой. В процессе диагностирования учас твуют проверяемый объект, технические средства диагностирования и оператор. При этом необходима определенная организация взаимодействия объекта и средств диагностирования, т. е. система диагностики.

Система технического диагностирования, согласно ГОСТа.

20 911−75, — это совокупность объекта диагностирования (в нашем случае турбогенератора или его обмоток), методов и средств диагностирования, а также, если необходимо, исполнителей (персонала), готовых к реализации или реализирующих процесс технического диагностирования по заданным алгоритмам.

Алгоритм диагностирования представляет собой совокупность операций, выполняемых в определенной последовательности с целью решения конкретной диагностической задачи ?2]. Согласно [15] ¦ система технического диагностирования применительно к турбои гидрогенераторам, по крайней мере в обозримом будущем}будут функционировать с участием человека. В дальнейшем эти системы будут создаваться как автоматизированные системы технического диагностирования. Используемые в них технические средства, в частности ЭВМ, будут выступать в качестве систем информаций и «советчиков» человеку.

Проблема создания и совершенствования автоматизированных систем технического диагностирования турбогенераторов на электростанциях является сложной и многоплановой, требующей систематической работы многих научно-исследовательских, проектно-конструк-торских, промышленных, наладочных и эксплуатационных организаций ряда министерств и ведомств. В последние годы рядом организаций достигнуты некоторые результаты, в частности [2,36,37,72].

— проведена систематизация дефектов мощных турбо — и гидрогенераторов, их признаков и возможных методов выявления, составлены соответствующие диагностические таблицывыявлены группы наиболее значительных дефектов, раннее выявление которых позволит в 3−4 раза снизить продолжительность вынужденных простоев генераторов;

— разработаны методы, средства и предварительные критерии вибрационной диагностики турбо — и гидрогенераторов, в том числе их статоровмногие средства выпускаются промышленностью, они опробованы и внедрены в практику контроля агрегатов некоторых ГЭС и ТЭС.

Большое внимание уделяется усовершенствованию систем теплового контроля. Разработаны и разрабатываются новы^, ранее практически не применявшиеся, методы и средства диагностики, в том числе частичных разрядов в обмотках, контроля нагревов маг-нитопроводов на основе использования инфракрасной техники, применение различных видов термохимических индикаторов, многих камер для индикаций местных перегревов в турбогенераторах и др.

Среди неисправностей электрических машин термические дефекты занимают значительное место, поэтому надежность машины существенно определяется тепловым состоянием основных её элементов. В связи с чем тепловая диагностика машины в целом или её отдельных (наиболее напряженных) элементов приобретает важное значение.

Настоящая работа ориентирована на разработку методологических основ организации тепловой диагностики обмоток мощных турбогенераторов и непосредственно посвящена расчетно-теоретическим исследованиям температурного поля обмоток в нормальных эксплуатационных режимах и при различных аварийных ситуациях или повреждениях. Практической целью исследований является определение чувствительности температурного поля отдельных элементов обмоток к различного рода термическим деффектам или неисправностям, возникающим в процессе эксплуатации турбогенераторов.

В соответствии с изложенным, основными задачами диссертационной работы являются:

1. Разработка системы математических моделей температурного поля обмоток мощных турбогенераторов с различными схемами охлаждения при наличии в них термических деффектов или неисправностей.

2. Разработка практических методик математического моделирования температурного поля обмоток с термическими деффектами или неисправностями на электрических моделях и ЭВМ.

3. Исследование температурных полей обмоток мощных турбогенераторов с термическими дефектами или неисправностями при нормальных эксплуатационных режимах.

4. Оценки термической опасности различных дефектов и неисправностей в обмотках и чувствительности температурного поля отдельных их элементов к этим дефектам и неисправностям.

При решении научной задачи расчетно-теоретического исследования температурных полей обмоток мощных турбогенераторов с различными термическими дефектами, разработаны следующие новые положения, которые и выносятся на защиту:

— I. Практические методы математического моделирования и численного расчета на ЭВМ температурного поля обмоток мощных турбогенераторов. Разработанная методика учитывает трехмерный характер поля, транспозицию элементарных проводников в пазовой части обмотки статора, движение и подогрев хладоагента в каналах обмоток.

— 2. Диагностические характеристики обмоток, связывающие конкретные термические дефекты с чувствительностью температурного поля в различных сечениях по длине обмотки.

— 3. Методика и результаты расчета температурных полей обмоток, при термических дефектах, обусловленных замыканием элементарных проводников, уменьшением скорости движения хладоагента в каналах, полной и частичной закупорки каналов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные выводы и положения диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана система двухмерных и трехмерных математических моделей для численных исследований температурного поля обмоток турбогенераторов с различными схемами охлаждения при наличии в них термических деифектов или неисправностей. Модели детально учитывают реальную геометрию, структуру и свойства материалов основных конструктивных элементов обмоток, а также физические условия и схему охлаждения.

2. Разработана методика их численной реализации, представленная в виде пакета программ для ЭВМ СМ-4, позволяющая исследовать влияние на температурное поле обмоток турбогенераторов серии ТВВ различных термических дефектов системы охлаждения и эксплуатационных неисправностей обмоток.

3. Получены качественные и количественные оценки влияния различных деффектов и неисправностей на температурное поле обмоток турбогенератора ТВВ-320−2. Установлено что: а) чувствительность температурного поля обмотки возбуждения к витковым замыканиям остается высокой, независимо от места расположения замкнутых витков, однако различной для схем непосредственного и косвенного охлаждения. Наибольшая чувствительность температурного поля обмотки к витковым замыканиям независимо от схемы охлаждения имеет место непосредственно в зоне замкнутого витка. Для схемы с непосредственным водородным охлаждением она составляет (60 -г 65)%, для схемы с косвенным водородным охлаждением около 20%, По мере удаления от места неисправности обмотки, чувствительность температурного поля обмотки возбуждения к витковому замыканию уменьшается до (10*15)$ в машинах с косвенным охлаждением и до (7*10)% в машинах с непосредственным охлаждением. Однако во всех элементах обмотки возбуждения чувствительность температурного поля к витковым замыканиям превышает чувствительность современных датчиков температуры — 2%- б) Чувствительность температурного поля обмотки статора к термическим дефектам системы охлаждения и локальным повышениям тепловыделения в элементарных проводниках обмотки всегда оказывается наиболыпе в лобовой части стержня, непосредственно в зоне входа воды, однако различной для проводников и изоляций. В зависимости от вида деф/>екта чувствительности температурного поля для меди обмотки (в зоне расположения дефектного канала) и корпусной изоляции (в зоне её наружной поверхности под клином могут отличаться на (15*80)%- в) Дефекты системы охлаждения, вызванные частичной или полной закупоркой одного из каналов стержня приводит к неравномерности нагрева стержня как по сечению, так и по длине. Так, при полной закупорке верхнего канала отношение к Twu'* в пределах одного сечения стержня составляет 6,5 $ (в начале стержня на входе воды) и 1,6 $ (в конце стержня на выходе воды) — г) Наибольшая чувствительность температурного поля обмотки статора к термическому де/фзкту, вызванному частичной или полной закупоркой канала, изменяется пропорционально изменению в нем расхода воды. Однако эта зависимость не является линейной. Так при полной закупорке верхнего канала, чувствительность составляет 92 $. Температура меди при этом повышается на 5,4°С, а температура наружной поверхности изоляций — на 3,5°С. При полузакупорке того же канала, чувствительность температурного поля снижается до 37 $. Превышение температуры меди при этом составляет 2,2°С, а для воды — 2°Сд) Чувствительность температурного поля на наружной поверхности корпусной изоляции стержня под клином или на дне паза (вероятные места установки датчиков температуры) к термическому де/тфекту, вызванному засорением каналов, существенно изменяется по длине стержня. Так при полной закупорке верхнего канала, она составляет 77% в начале стержня (лоб.часть), 37% по середине стержня (пазовая часть) и 22 $ в конце стержня (лоб.часть). При полузакупорке верхнего канала чувствительность температурного поля на наружной поверхности корпусной изоляции стержня составляет 14 $ в начале стержня и 10 $ в её концее) — Снижение расхода воды во всех каналах стержня на 30 $ приводит к равномерности нагрева стержня. Чувствительность температурного поля при этом на наружной поверхности корпусной изоляции составляет 37%- ж) При локальном повышении тепловыделения, чувствительность температурного поля на наружной поверхности изоляции под клином составляет 61 $ в начале стержня и 65 $ в её конце. На поверхности изоляции на дне паза, чувствительность температурного поля составляет 20 $ в конце стержня, а в начале её чувствительность снижается практически до 0%.

4. Температура воды обмотки статора при исследованных термических деф/ектах и эксплуатационных неисправностях выступает как важный источник информации. Поэтому при решении задачи тепловой диагностики обмотки статора, целесообразно ставить датчики температуры в системе охлаждения.

5. Выявленные для обмоток турбогенератора ТВВ-320−2 количественные оценки закономерностей причинноследственных связей между термическими дефектами или неисправностями и их внешними признаками — изменениями температуры характерных элементовмогут быть использованы для качественных оценок диагностических характеристик обмоток турбогенераторов серии ТВВ с другими номинальными данными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с поставленными задачами исследования в настоящей работе рассмотрены некоторые вопросы математического моделирования температурных полей обмоток ротора и статора турбогенераторов серии ТВВ для целей их тепловой диагностики.

Решение этих вопросов включает в себя в качестве методической основы разработку математических моделей температурного поля обмоток турбогенератора при различных термических де/фектах и эксплуатационных неисправностях и методов их численной реализации.

Выполненные численные исследования в основном направлены на выявление общих и специфических закономерностей причинно — следственных связей между термическими де/фектами системы охлаждения и эксплуатационными повреждениями обмоток и обусловленными ими изменениями температурного поля обмоток — суть внешних признаков де/тфектов и повреждений.