СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОАГРЕГАТА Российский патент 1996 года по МПК F01D21/14 F01D17/20 

Изобретение относится к способам технической диагностики автоматических систем регулирования (АСР) паровых турбин (ПТ) и может быть использовано при эксплуатации ПТ различных типов, преимущественно теплофикационных турбин с регулируемыми отборами пара и связанной системой регулирования.

Известны способы определения технического состояния АСР ПТ с помощью устройства, оценивающего состояние АСР ПТ на основании измерения и сравнения с эталонными значениями выходного сигнала АСР и времени его запаздывания при подаче на вход единичного прямоугольного импульса заданной длительности и амплитуды [1] или путем сравнения сигналов датчика хода поршня гидроцилиндра привода регулирующего клапана и датчика давления рабочей жидкости в этом гидроцилиндре с заранее заложенными номинальными характеристиками и анализа состояния системы регулирования по рассогласованию сигналов [2] Известен также способ, где сравниваются сигналы датчиков перемещений органов АСР, давлений, а также индикаторов активной нагрузки генератора и частоты вращения с соответствующими эталонными характеристиками, хранимыми в памяти ЭВМ [3]
Указанные способы наряду со своими достоинствами: оперативностью, возможностью выявления неисправностей на ранней стадии их развития, удобством и разнообразием предупреждающей информации в виде показания прибора, информации на телемониторе, светового или звукового сигнала, имеют несколько недостатков, ограничивающих широкое применение указанных способов. Во-первых, не всегда возможно вносить в работающее оборудование искусственные возмущения для проведения диагностических мероприятий, так как это означает изменение режима работы. Во-вторых, номинальные характеристики могут быть получены лишь с некоторым приближением к эталонным. Даже характеристики, зафиксированные при сдаточных заводских испытаниях новых АСР, не могут считаться эталонными, хотя бы в силу разброса свойств материалов, размеров, условий изготовления и сборки. В-третьих, эти способы не могут быть применены в турбоустановках, уже находящихся в эксплуатации, так как их эталонные характеристики неизвестны. Взять же за основу характеристики, имевшиеся на момент оборудования АСР диагностическим комплексом, нельзя: на них могут сказаться уже появившиеся в АСР неисправности. Процедура сравнения эталонных и реальных характеристик достаточно сложна, дает неоднозначный результат с большой погрешностью, особенно в случаях, когда характеристики нелинейны. И, наконец, самое главное: указанные способы основаны на косвенных методах определения технического состояния, работоспособности и диагностики неисправностей, не обеспечивают выявления конкретного отказавшего элемента.

Техническая задача заключается в повышении надежности и эффективности эксплуатации турбоагрегата путем обеспечения оперативного и обоснованного определения работоспособности каналов регулирования и их элементов.

Поставленная задача решается тем, что по способу определения технического состояния системы автоматического регулирования турбоагрегата с каналами регулирования частоты вращения и давления пара в камерах первого и второго отборов, содержащими последовательно включенные элементы, путем изменения значений мощности генератора, входных координат каналов регулирования частоты вращения и давления пара и выходных координат сервомоторов, формирования характерных показателей на основе результатов измерения, сопоставления этих показателей с эталонными значениями и выявления нарушения работоспособности системы по результатам сопоставления дополнительно измеряют значения выходных координат элементов каналов, характерные показатели формируют в виде коэффициентов корреляции между измеренными значениями мощности и давления в камере первого отбора, мощности и давления в камере второго отбора, давлений в камерах первого и второго отборов и между измеренными значениями входных и выходных координат каждого из последовательно включенных элементов каждого из каналов регулирования, сопоставляют значения сформированных коэффициентов корреляции с их эталонными значениями и выявляют нарушение работоспособности канала регулирования частоты вращения при совместном увеличении коэффициента корреляции между мощностью и давлением в камере первого отбора и коэффициента корреляции между мощностью и давлением в камере второго отбора, выявляют нарушение работоспособности канала регулирования давления пара в камере первого отбора при совместном увеличении коэффициента корреляции между мощностью и давлением в камере первого отбора и коэффициента корреляции между давлениями в камерах первого и второго отборов, выявляют нарушение работоспособности канала регулирования давления пара в камере второго отбора при совместном увеличении коэффициента корреляции между мощностью и давлением в камере второго отбора и коэффициента корреляции между давлениями в камерах первого и второго отборов, а после выявления нарушения работоспособности в одном из каналов регулирования выявляют нарушение работоспособности конкретного элемента этого канала при уменьшении коэффициента корреляции между измеренными значениями входной и выходной координат данного элемента.

Предполагается оценивать качество работы элементов или системы регулирования сравнения с эталонными коэффициентами корреляции входных и выходных сигналов элементов. Характеристики элементов отражают правильность функционирования АСР, выполнение определенных соотношений и зависимостей, а коэффициенты корреляции показывают степень связи координат системы, что при оценке технического состояния автоматических систем и их диагностике более естественно. При этом коэффициенты корреляции дают однозначную количественную оценку состояния работоспособности АСР.

Случайный характер сигналов АСР позволяет применить понятия и методы теории вероятностей, связанные с коэффициентами корреляции. Если АСР исправна, то любому значению X_i входного сигнала соответствует единственное и определенное по статической характеристике значение выходного сигнала Y_i, функция Y=f(X) будет с точностью до помех детерминированной, а коэффициент корреляции R_xy= 1- ε, где ε <1 систематическая составляющая, связанная с конструктивными или эксплуатационными особенностями АСР (например, величиной перекрыш в золотниках или помехами) и легко рассчитываемая или определяемая экспериментально для каждого канала или элемента. Использование полученного заранее значения ε позволяет более объективно и обоснованно оценить работоспособность АСР. Если и АСР появляются отклонения от нормы в виде люфта, заедания подвижных деталей, затирания поверхностей, обрывов штоков клапанов и т. д. то это ведет к тому, что одному значению X_i могут соответствовать различные значения Y_i. В этом случае связанность координат уменьшается, коэффициент корреляции R_xy меньше значения (1- ε) и чем большей неисправность, тем меньшее значение R_xy. В пределе, когда АСР полностью перестает выполнять свои функции и пропадет всякая связанность координат X и Y, R_xy=0.

На фиг. 1 представлена функциональная схема связанной АСР турбоагрегата с двумя регулируемыми отборами пар; на фиг. 2 принципиальная схема устройства для диагностики системы регулирования и отдельных ее элементов, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 3 возможная схема устройства для расчета коэффициентов корреляции R_xy.

АСР состоит из трех каналов регулирования: частоты вращения ротора турбоагрегата ω, давлений P₁ и P₂ в камерах первого и второго регулируемых отборов пара. Каналы содержат входные преобразователи 1, 2 и 3 с выходными координатами x₁, x₂ и x₃, усилители 4, 5 и 6 с выходными координатами y₁, y₂ и y₃, золотники 7, 8 и 9 регуляторов с выходными координатами Z₁, Z₂ и Z₃ и отсечные золотники 10, 11 и 12 с сервомоторами 13, 14 и 15 с выходными координатами μ₁, μ₂ и μ₃ положениями регулирующих клапанов 16 части 17 высокого давления (ЧВД), клапанов 18 части 19 среднего давления (ЧСД) и клапанов 20 части 21 низкого давления (ЧНД). С валом турбины связан генератор 22, выходной координатой которого является электрическая мощность N. После ЧВД часть расхода пара Q₁ с давлением P₁ поступает в линию первого отбора, остальной расход подается в ЧСД. После ЧСД поток пара опять разделяется: часть (Q₂) с давлением P₂ направляется в линию второго отбора, а остальная часть попадает в ЧНД. Перекрестные связи между золотниками 7, 8 и 9 регуляторов и отсечными золотниками 10, 11 и 12 призваны обеспечить условия независимости мощности от давлений в камерах отборов и давления в камере отбора от мощности и давления в другой камере: N ≠ f(P₁, P₂); P₁ ≠ f(N, P₂); P₂ ≠ f(N, P₁). В неисправных АСР эти условия нарушаются.

Устройство для определения технического состояния АСР и диагностики ее элементов содержит накопители 23 значений координат, блоки хранения текущих 24 и эталонных 25 значений коэффициентов корреляции, блок 26 сигнализации, коммутационно-вычислительный блок 27, блок 28 коммутации, блок 29 вычисления коэффициентов корреляции, блок 30 коммутации, блок 32 вычитания, блок 32 сравнения, логический блок И 33 логический блок ИЛИ 34.

Блок 29 вычисления коэффициентов корреляции содержит блок 35 произведения, квадраторы 36 и 37, сумматоры 38, 39 и 40, блок 41 произведения, блок 42 извлечения корня квадратного, блок 43 деления, счетчики 44, 45 и 46 циклов.

Если, например, отсечной золотник 10 сервомотора 13 перестал перемещаться из-за возросших сил трения, клапан 16 ЧВД, регулирующий мощность турбины N, перестает отзываться на изменение частоты вращения ω. В этом случае возрастает связь между мощностью N и давлением в камере первого отбора P₁ (выражаемая коэффициентом корреляции R_NP1) и между мощностью N и давлением в камере второго отбора P₂ (выражаемая коэффициентом R_NP2). Это вызвано тем, что колебания давлений P₁ и P₂ в камерах отборов ведут ее перемещению сервомоторов ЧСД и ЧНД (для поддержания заданных давлений P₁ и P₂), а сервомотор ЧВД из-за поломки своего отсечного золотника не может компенсировать эти возмущения, в результате чего мощность турбины оказывается зависящей от значений давлений P₁ и P₂.

При неисправности канала регулирования давления P₁ в первом отборе устанавливается связь между давлениями P₁ и P₂ (коэффициент R_P1,P2) и между давлением P₁ и мощностью турбины N (коэффициент R_NP1). При неисправности канала регулирования давления P₂ во втором отборе устанавливается связь между давлением P₂ и мощностью турбины N (коэффициент R_NP2) и между давлениями P₁ и P₂ (коэффициент R_P1,P2).

Таким образом, по величинам коэффициентов корреляции R_NP1, R_NP2, R_P1P2 можно судить о работоспособности АСР и выявить неисправный канал регулирования. Для эффективности и оперативности диагностирования важно, что чем более существенна степень неисправности, тем больше отклонение коэффициентов корреляции от эталонных значений, и поэтому это отклонение служит мерой нарушения работоспособности, в том числе на ранних стадиях его возникновения.

Способ определения технического состояния каналов регулирования заключается в следующем. С некоторой периодичностью рассчитываются, контролируются и анализируются значения коэффициентов корреляции R_NP1, R_NP2, R_P1P2. Если коэффициенты корреляции R_NP1 ≅ ε_NP1; R_NP2 ≅ ε_NP2; R_P1P2 ≅ ε_P1P2, то все три канала регулирования исправны. Увеличение коэффициентов корреляции однозначно указывают на факт и место возникновения неисправности в АСР.

Если обнаружится, что возросли значения коэффициентов R_NP1 и R_NP2(R_NP1> ε_NP1, и R_NP2>ε_NP2) при сохранении своего прежнего значения коэффициента R_P1P2 ≅ ε_P1P2, то это указывает на возникновение неисправности в канале регулирования частоты вращения ω; возросли значения коэффициентов R_NP1 и R_P1P2 (R_NP1> ε_NP1 и R_P1P2> ε_P1P2) при R_NP2 ≅ ε_NP2, то это указывает на возникновение неисправности в канале регулирования давления P₁ в камере первого отбора; возросли значения R_NP2 и R_P1P2(R_NP2> ε_NP2 и R_P1P2> ε_P1P2) при R_NP1 ≅ ε_NP1, то это указывает на возникновение неисправности в канале регулирования давления P₂ в камере второго отбора.

Предложенным способом можно найти не только неисправный канал регулирования, но и обнаружить тот элемент, который привел к выходу из строя канала и АСР в целом. Для этого измеряются и промежуточные координаты x₁, x₂, x₃ выходные координаты входных преобразователей, y₁, y₂, y₃ выходные координаты усилителей, z₁, z₂, z₃ выходные координаты золотников регуляторов.

В исправной АСР коэффициенты корреляции между частотой вращения турбоагрегата ω, давлениями P₁ и P₂ и выходными координатами входных преобразователей x₁, x₂, x₃ (R_ωx1, R_p1x2, R_p2x3), между входными x₁, x₂, x₃ и выходными y₁, y₂, y₃ координатами усилителей (R_x1y1, R_x2y2, R_x3y3), между входными y₁, y₂, y₃ и выходными z₁, z₂, z₃ координатами золотников регуляторов (R_y1z1, R_y2z2, R_y3z3) и между входными координатами сервомоторов z₁, z₂, z₃ и их выходными координатами μ₁, μ₂, μ₃(R_z1μ1, R_zμ2, R_z3μ3) близки к 1- ε_i где ε_i систематическая составляющая, связанная с конструктивными особенностями i-го элемента. Падение значения какого-либо из этих коэффициентов корреляции означает поломку соответствующего элемента.

Процедура выявления неисправного элемента следующая. После обнаружения вышедшего из строя канала регулирования производится определение коэффициентов корреляции составляющих канал элементов и сравнение их с эталонным значениям. Отклонение коэффициента корреляции какого-либо из элементов от эталонного значения (1- ε_i) однозначно указывает на факт его поломки.

В результате предварительных расчетов или экспериментов для каждого канала или элементы можно установить количественную границу допустимого уровня потери работоспособности. Переход каким-либо коэффициентом корреляции этой границы может сопровождаться подачей дополнительного предупреждающего сигнала, автоматическим снижением нагрузки и остановкой турбины с целью недопущения аварии.

Блок-схема устройства для определения технического состояния АСР и диагностики ее элементов включает накопители 23 значений координат, блоки хранения текущих 24 и эталонных 25 значений коэффициентов корреляции, блок 26 сигнализации и коммутационно-вычислительный блок 27. В ячейки накопителей значений координат от датчиков поступают значения как основных параметров: частоты вращения ω, мощности N, давлений P₁, P₂, так и промежуточных координат: x₁, x₂, x₃ выходных координат входных преобразователей, y₁, y₂, y₃ усилителей z₁, z₂, z₃ золотников, μ₁, μ₂, μ₃ сервомоторов. C заданными промежутками времени эти значения через блок 28 коммутации попарно поступают на блок 29 вычисления коэффициентов корреляции (R), которые затем передаются в соответствующие ячейки блоков 24 хранения текущих значений коэффициентов корреляции. В ячейках блоков 25 хранения эталонных значений заранее помещены следующие значения коэффициентов корреляции:
R'_NP1= ε_NP1; R'_NP2= ε_NP2; R'_P1P2= ε_P1P2;
R'_ωx1=1- ε_ωx1; R'_x1y1= 1-ε_x1y1;
R'_y1z1=1- ε_y1z1; R'_z1μ1= 1- ε_z1μ1;
R'_p1x2=1- ε_p1x2; R'_x2y2= 1- ε_x2y2;
R'_y2z2=1- ε_y2z2; R'_z2μ2= 1- ε_z2μ2;
R'_p2x3=1- ε_P2x3; R'_x3y3-ε_x3y3;
R'_y3z3=1- ε_y3z3; R_z3μ3=1- ε_z3μ3, соответствующие исправной АСР.

Вначале с помощью блока 30 коммутации и блока 31 вычитания находится разность между соответствующими текущими и эталонными значениями коэффициентов корреляции ΔR_NP1, ΔR_NP2, ΔR_P1P2. В блоке 32 сравниваются значенияΔR_i| каждой из пар коэффициентов и величины ε_i. При этом для установления факта исправности АСР необходимо, чтобы все коэффициенты находились в нормальных пределах, а для установления факта неисправности, продолжения и углубления диагностических процедур достаточно, чтобы хотя бы один из рассматриваемых коэффициентов вышел за нормальные пределы.

Если все каналы исправны, разности коэффициентов корреляции меньше или равны ε_i(|ΔR_i| ≅ ε_i), через логический блок И 33 в блок сигнализации поступает сигнал "АСР в норме". Превышение любой из этих разностей значения ε_iΔR₁| > ε_i) из-за поломки канала ведет к тому, что через логический блок ИЛИ 34 поступает сигнал "АСР неисправна", а соответствующий сигнал обозначает неисправный канал в блоке сигнализации.

При отказе, например, отсечного золотника 10 сервомотора 13 и выходе из строя канала регулирования частоты вращения разности указанных коэффициентов корреляции примут следующие значения: ΔR_NP1|R_NP1-R'_NP1| > ε_NP1; ΔR_NP2|R_NP2-R'_NP2| > ε_NP2; ΔR_P1P2|R_P1P2-R'_P1P2| ≅ ε_P1P2.

После обнаружения отказа в АСР и определения неисправного канала устройство начинает поиск вышедшего из строя элемента. Для этого в блок 31 вычитания блок 30 коммутации передает попарно текущие и эталонные значения коэффициентов корреляции промежуточных элементов неисправного канала. Превышение разности какой-либо парыΔR_i| величины ε_iозначает поломку этого элемента и поступление команды в блок сигнализации.

В блоке вычисления коэффициентов корреляции входные сигналы X_i и Y_iпоступают на блок 35 произведения и квадраторы 36, 37. После них сигналы подаются на сумматоры 38, 39, 40. Выходные сигналы сумматоров 39 и 40 поступают на вход блока 41 произведений 41, выход которого подается на вход блока 42 извлечения квадратного корня. Выход блока 42 поступает на вход блока 43 деления, куда также поступает сигнал с сумматора 38. В схеме имеются три счетчика циклов 44, 45 и 46.

Расчет коэффициентов корреляции производится по выражению
R_XY
Заданное с помощью счетчиков 44, 45 и 46 циклов количество координат X_i и Y_i, необходимых для расчета очередного коэффициента корреляции R_XY, перемещается в блоке 35 произведения, а затем суммируется в блоке 38. Такое же количество квадратов координат, полученных с помощью квадраторов 36 и 37 суммируется в сумматорах 39 и 40. Суммы квадратов перемножаются в блоке 41 произведения после чего в блоке 42 извлекается квадратный корень, который служит делителем суммы произведения координат, накопленной в сумматоре 38. На выходе блока 43 деления будет искомое значение коэффициента корреляции R_XY.

Предлагаемый способ определения технического состояния АСР ПТ путем контроля значений коэффициентов корреляции входных и выходных координат каналов регулирования и отдельных элементов позволяет оперативно следить за работоспособностью АСР, на ранней стадии заметить факт и место возникновения неисправности, оценить ее количественно и решить вопрос о возможности продолжения эксплуатации оборудования или необходимости его остановки и проведения ремонта. Все это, в конечном счете, повышает эффективность, надежность и безопасность работы турбоагрегата. Выявление конкретного отказавшего элемента на основе уменьшения коэффициента корреляции между значениями входной и выходной координат данного элемента может быть реализовано в АСР турбоагрегата с одним или двумя каналами регулирования.

Изобретение относится к способам технической диагностики автоматических систем регулирования (АСР) паровых турбин (ПТ) и позволяет повысить надежность, безопастность и эффективность турбоагрегата путем обеспечения оперативного определения работоспособности АСР ПТ. Способ заключается в сравнении текущих и эталонных значений коэффициентов корреляции между входными и выходными координатами каналов регулирования и отдельных элеменов, составляющих эти каналы. Так, если отсечной золотник 10 сервомотора 13 потерял работоспособность, клапан 16 части высокого давления перестает отзываться на входные воздействия. В этом случае возрастает связь между мощностью и давлением в камере первого отбора и между мощностью и давлением в камере второго отбора, ибо колебания давлений приводят к перемещению сервомоторов клапанов частей среднего и низкого давлений, а сервомотор части высокого давления не может компенсировать эти возмущения. В результате увеличиваются коэффициенты корреляции между давлениями и мощностью. Изменение коэффициентов корреляции в процессе работы турбоагрегата позволяет на ранней стадии обнаружить вначале неисправный канал регулирования, а затем выявить тот элемент, который привел к нарушению работоспособности АСР. Полученная количественная оценка неисправности позволяет решить вопрос о возможности продолжения эксплуатации турбоагрегата или необходимости его остановки и проведения ремонта. 3 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОАГРЕГАТА с каналами регулирования частоты вращения ротора и давления пара в камерах первого и второго отборов, содержащими последовательно включенные элементы, путем измерения значений мощности генератора, входных координат каналов регулирования, частоты вращения и давлений пара и выходных координат сервомоторов, формирования характерных показателй на основе результатов измерения, сопоставления этих показателей с эталонными значениями и установления нарушения работоспособности системы по результатам сопоставления, отличающийся тем, что дополнительно измеряют значения выходных координат элементов каналов, характерные показатели формируют в виде коэффициентов корреляции между измеренными значениями мощности и давления в камере первого отбора мощности и давлении в камере второго отбора, давлений в камерах первого и второго отборов и между измеренными значениями входных и выходных координат каждого из последовательно включенных элементов каждого из каналов регулирования, сопоставляют значения сформированных коэффициентов корреляции с их эталонными значениями и устанавливают нарушение работоспособности канала регулирования частоты вращения при совместном увеличении коэффициента корреляции между мощностью и давлением в камере первого отбора и коэффициента корреляции между мощностью и давлением в камере второго отбора, устанавливают нарушение работоспособности канала регулирования давления пара в камере первого отбора при совместном увеличении коэффициента корреляции между мощностью и давлением в камере первого отбора и коэффициента корреляции между давлениями в камерах первого и второго отборов, устанавливают нарушение работоспособности канала регулирования давления пара в камере второго отбора при совместном увеличении коэффициента корреляции между мощностью и давлением в камере второго отбора и коэффициента коррелляции между давлениями в камерах первого и второго отборов, а после установления нарушения работоспособности в одном из каналов регулирования устанавливают нарушение работоспособности конкретного элемента этого канала при уменьшении коэффициента корреляции между измеренными значениями входной и выходной координат данного элемента.