Изобретение относится к тепловой энергетике и акустико-эмиссионному виду неразрушающего контроля и может быть использовано для обнаружения мест присосов воздуха в вакуумной системе (ВС) паротурбинных установок (ПТУ) тепловых электростанций (ТЭС), в частности, в оборудовании, трубопроводах, элементах проточной части, которые при работе ПТУ постоянно или периодически находятся под давлением ниже атмосферного.
Известно, что присосы воздуха в вакуумной системе являются основной причиной ухудшения вакуума и оказывают решающее влияние на снижение мощности и экономичности ПТУ: каждая потеря вакуума на 1% уменьшает экономичность и вырабатываемую мощность на ~0,85% от номинальной. Каждые 20 кг/ч воздуха снижают вакуум на 0,1%, что уменьшает мощность и экономичность установок на ~0,08%.
Обеспечить абсолютную герметичность вакуумной системы ПТУ невозможно, поэтому основной задачей контроля за состоянием установок является мониторинг тех узлов, где появление присосов наиболее вероятно: лабиринтов концевых уплотнений (особенно ЦНД); фланцевых соединений корпусов цилиндров, теплообменного оборудования, арматуры, трубопроводов, находящихся под разрежением, особенно при наличии теплосмен и разности температур соединяемых элементов; сварных швов оборудования и трубопроводов, находящихся под разрежением, особенно у плоских стенок и линзовых компенсаторов.
Известен способ контроля герметичности и определения координаты места течи в продуктопроводе (патент RU №2181881, публ. 27.04.2002, МПК G01M 3/24), заключающийся в приеме акустических сигналов в двух точках по длине продуктопровода, обнаружении течи и последующей корреляционной обработке принятых акустических сигналов, в результате которой определяют разность времен прихода акустических сигналов и координату места течи, при этом прием акустических сигналов в двух точках по длине продуктопровода проводят в диапазоне частот f1, удовлетворяющему математическому соотношению f1<RC/0,61, где R - радиус продуктопровода; С - скорость звука в материале продуктопровода, при этом перед корреляционной обработкой принятых акустических сигналов проводят режектирование дискретных составляющих в каждом из сигналов с последующим спектральным анализом последних и из полученных спектров сигналов выделяют долговременные спектральные составляющие, длительностью превышающие 30 с, и с амплитудой, превышающей фон на 3-6 дБ, и по данным спектральным составляющим судят о наличии течи. Предварительно проводят прием акустических сигналов в двух точках по длине продуктопровода в отсутствии течи, затем запоминают параметры полученных сигналов, непрерывно обновляя результаты измерений, и принимают их за фон при обнаружении течи. Также проводят дополнительный прием акустических сигналов в третьей точке по длине продуктопровода, производят их спектральный анализ и выделяют спектральные составляющие, соответствующие спектру колебаний перекачивающих насосов на компрессорных станциях, а режектирование дискретных составляющих в каждом из первых двух сигналов осуществляют с учетом полученных спектральных составляющих, соответствующих спектру колебаний перекачивающих насосов на компрессорных станциях продуктопровода. Также проводят дополнительный прием акустических сигналов в точке, не связанной с продуктопроводом, производят спектральный анализ принятых сигналов, а режектирование дискретных составляющих в каждом из принятых сигналов проводят с учетом составляющих, соответствующих спектру колебаний технических объектов, окружающих или пересекающих продуктопровод. Дополнительно проводят прием акустических сигналов в двух точках продуктопровода в диапазоне частот f2<<RC/0,61.
Недостатками настоящего технического решения являются сложность процедуры измерения в связи с необходимостью размещения первичных преобразователей в точках, удаленных от места предполагаемой течи, а также невозможность обнаружения течи на фоне коррелированной технологической помехи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля герметичности с использованием сигналов акустической эмиссии (Публ. CN №104316277, публ. 28.01.2015, МПК G01M 3/24), согласно которому измеряют временные реализации акустических сигналов в точках предполагаемой течи, если место течи неизвестно, измерения проводят в нескольких точках, расположенных равномерно по поверхности контролируемого объекта. Для каждого из полученных сигналов определяют уровень сигнала и его спектр, если уровень сигнала соответствует уровню шума, а спектр соответствует спектру белого шума, то течь считается необнаруженной, в противном случае определяют количество выявленных течей, для этого рассчитывают коэффициент корреляции, если сигналы являются коррелированными, то считают, что течь является единственной и на основании смещения максимума корреляционной функции определяют координату течи. Если сигналы не коррелируют друг с другом, считают, что выявлено несколько течей, и для разделения сигналов от каждой утечки проводят слепую фильтрацию. Затем определяют координаты каждой течи.
Недостатками настоящего технического решения являются существенная сложность математических вычислений, низкая точность и узкая область применения вследствие того, что все коррелированные сигналы согласно данному способу интерпретируются, как утечки, что приводит к некорректному результату при выявлении течи на фоне коррелированных технологических помех оборудования, например, ВС ПТУ.
Технической задачей предлагаемого изобретения является оперативное обнаружение присосов воздуха в ВС ПТУ на фоне нестационарной коррелированной технологической помехи.
Технический результат заключается в повышении быстродействия способа определения герметичности за счет упрощения математических вычислений, а также расширении области применения и повышении точности за счет исключения влияния коррелированных технологических помех.
Это достигается тем, что в известном способе контроля герметичности с использованием сигналов акустической эмиссии, основанном на измерении временных реализаций акустических сигналов на поверхности оборудования и расчете амплитудного, спектрального и корреляционного критериев наличия течи, временные реализации акустических сигналов измеряют в двух точках предполагаемого присоса s1, s2 и в двух точках отсутствия присоса s3, s4 для определения опорного сигнала, фильтруют полученные акустические сигналы, определяют стационарные участки акустических сигналов, формируют выборку временных реализаций акустических сигналов, амплитудный критерий наличия присоса critA рассчитывают на основе сравнения среднеквадратических отклонений сигналов s1, s2, s3, s4, спектральный критерий наличия присоса critE рассчитывают на основе сравнения энтропии спектров сигналов s1, s2 и сигналов s3, s4, корреляционный критерий наличия присоса critR получают на основе расчета частного коэффициента корреляции сигналов s1 и s2 исключая влияние сигнала s3, после чего рассчитывают взвешенный интегральный критерий наличия присоса crit по формуле crit=α⋅critA+β⋅critE+γ critR, где α, β, γ - весовые коэффициенты, такие что α+β+γ=1, при этом, если значение crit менее 0,5 делают вывод об отсутствии присоса воздуха, если значение crit находится в диапазоне 0,5-0,67 делают вывод о возможном наличии присоса воздуха, если значение crit превышает 0,67 - делают вывод о наличии присоса воздуха.
Сущность предлагаемого способа определения присосов воздуха в вакуумной системе паротурбинных установок поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема способа определения присосов воздуха в ВС ПТУ; далее представлены следующие экспериментально полученные данные: на фиг. 2 - временная реализация акустических сигналов герметичных объектов ВС ПТУ, на фиг. 3 - временная реализация акустических сигналов негерметичных объектов ВС ПТУ, на фиг. 4 - частотный спектр сигналов, соответствующий указанной временной реализации герметичных объектов ВС ПТУ, на фиг. 5 - частотный спектр сигналов, соответствующий указанной временной реализации негерметичных объектов ВС ПТУ, на фиг. 6 - взаимная корреляционная функция сигналов, соответствующая указанной временной реализации герметичных объектов ВС ПТУ, на фиг. 7 - взаимная корреляционная функция сигналов, соответствующая указанной временной реализации негерметичных объектов ВС ПТУ.
Способ определения присосов воздуха в вакуумной системе паротурбинных установок осуществляется следующим образом.
Устанавливают преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) в четырех точках измерения: два преобразователя в месте возможного присоса; два других преобразователя - на корпусе оборудования удаленно от мест возможной негерметичности - фланцев, врезок, запорной арматуры для измерения опорного сигнала.
В течение 1-5 минут производят запись временных реализаций акустических сигналов одновременно в четырех точках: в двух точках s1, s2 в месте потенциального присоса (в области люков, фланцевых соединений, гильз термопар, и т.д.), и в двух точках s3, s4 на корпусе элементов оборудования ВС ПТУ для измерения опорного (шумового) сигнала, которое проводится сразу после измерения основного сигнала.
Осуществляют фильтрацию сигналов s1, s2, s3, s4 в полосе от 100 до 300 кГц (в области резонансной частоты ПАЭ). Фильтрацию проводят фильтром с конечной импульсной характеристикой с окном Ханна длительностью 256 отсчетов.
Анализ временных реализаций акустических сигналов проводят на стационарных участках сигнала, не содержащих импульсных составляющих, длительностью не менее 16 мс. Для выявления стационарных участков сигнала используют эмпирический критерий, основанный на отношении максимального значения к абсолютному среднему, определенному на том же интервале. Участок сигнала считают стационарным, если на интервале наблюдения это отношение <8.
Для выбранных станционарных временных реализаций сигнала проводят расчет трех признаков (критериев) наличия присоса - амплитудного, спектрального и корреляционного.
Амплитудный критерий (critA) основан на сравнении среднеквадратических отклонений сигналов s1, s2, s3 и s4. Признаком наличия присоса является увеличение уровня сигналов s1, s2, измеренных в непосредственной близости от присоса, по сравнению с уровнем опорных сигналов s3, s4.
Рассчитывают параметр dA, определяющий различие средних уровней сигналов в точках 1, 2 и 3, 4 по формуле:
где σ1, σ2, σ3 и σ4 - среднеквадратические отклонения сигналов s1, s2, s3 и s4 соответственно, которые рассчитываются по формуле:
где σ1 - среднеквадратическое отклонение сигнала si(j), где i, j∈1…4,
N - длина временной реализации сигнала.
Если значение dA равно или превышает 6 дБ, то значение параметра critA устанавливают равным единице, если значение dA не превышает 6 дБ, то значение параметра critA устанавливают равным нулю:
Расчет спектрального критерия основан на сравнении энтропии спектров сигналов s1, s2 и сигналов s3, s4. Поскольку присос воздуха эмитирует стохастический широкополосный сигнал, признаком присоса является увеличение энтропии Е спектра сигналов s1 и s2 по сравнению с сигналами s3 и s4 dE.
Для каждого из четырех сигналов s1, s2, s3 и s4 проводят расчет энтропии соответствующего спектра Е1, Е2, Е3, Е4 по формуле:
где f - частотная переменная,
fн - верхняя граница диапазона частот,
fв - нижняя граница диапазона частот,
PSD(f) - спектральная плотность мощности сигнала
где Si(j) - частотный спектр сигнала si
N - количество отсчетов, Т - время регистрации сигнала.
Затем определяют процентное изменение энтропии спектра диагностических сигналов по сравнению с опорными:
Если значение dE равно или превышает 15%, то значение параметра critE устанавливают равным единице, если значение dE не превышает 15%), то значение параметра critE устанавливают равным нулю:
Корреляционный критерий позволяет выявить наличие присоса на основании корреляционной зависимости диагностических сигналов.
Рассчитывают частный коэффициент корреляции r1,2⋅3 по формуле:
где r12, r13, r23 - коэффициенты корреляции диагностических сигналов s1 и s2, s1 и s3, s2 и s3 соответственно, i∈1…3, рассчитанные по формуле:
s1 и s2 - диагностические сигналы, s3 - опорный сигнал, влияние которого исключается, k - номер отсчета сигнала.
Указанный коэффициент корреляции позволяет исключить возможное влияние коррелированной технологической помехи, обусловленной влиянием технологического процесса на результат расчета.
Если значение r1,2⋅3 равно или превышает 0,2, то значение параметра critR устанавливают равным единице, если значение r1,2⋅3 не превышает 0,2, то значение параметра critR устанавливают равным нулю:
На основании частных критериев critA, critE и critR рассчитывают взвешенный интегральный критерий crit:
crit=α⋅critA+β⋅critE+γ⋅critR,
где α, β, γ - весовые коэффициенты, такие что α+β+γ=1. Как правило значения весовых коэффициентов устанавливают равными
В случае, если значение взвешенного интегрального критерия crit менее 0,5 - делают вывод об отсутствии присоса воздуха; если значение взвешенного интегрального критерия crit находится в диапазоне 0,5-0,67 - делают вывод о возможном наличии присоса воздуха; если значение взвешенного интегрального критерия crit превышает 0,67 - делают вывод о наличии присоса воздуха.
Экспериментальным образом проводилась диагностика присосов воздуха через концевые уплотнения вала турбины, фланцевые соединения вакуумных задвижек, люки цилиндра низкого давления (ЦНД), люки конденсатора и конденсаторосборника на ПТУ различных типов. Наличие присоса устанавливалось эталонным способом гелиевым течеискателем. Таким образом были выявлены агрегаты и установки ПТУ с гарантированным наличием и отсутствием присосов воздуха. Там же были измерены временные реализации акустических сигналов в точках с выявленным эталонным способом присосом (не герметичных) и в точках с отсутствием присоса (герметичных).
Сравнение указанных временных реализаций акустических сигналов показало, что акустические сигналы, соответствующие присосам, являются стохастическими и характеризуются повторяющимися паттернами (образами) формы и спектра, на основании которых возможна идентификация сигналов, соответствующих присосам на фоне прочих технологических акустических шумов ПТУ.
Сигналы, соответствующие присосам, имеют стационарный характер, типичный для процессов, соответствующих истечению жидкостей и газов (фиг. 3). Сигнал имеет широкополосный спектр с выраженным максимумом в области 180 кГц на резонансной частоте первичного преобразователя (фиг. 5).
Временные реализации акустических сигналов представляют собой стационарные стохастические широкополосные сигналы мощности порядка 50-70 дБ (фиг. 2, 3).
Как видно из приведенных в сравнении экспериментально полученных временных реализаций акустических сигналов на герметичных (фиг. 2) и негерметичных (фиг. 3) объектах, частотных спектров, соответствующих указанным временным реализациям (фиг. 4, 5) и взаимных корреляционных функций указанных сигналов (фиг. 6, 7), наличие присоса в элементе ПТУ приводит к увеличению уровня акустического сигнала, существенному изменению его спектра. В отсутствии присоса спектр сигнала является низкочастотным и соответствует полосе 30-80 кГц (фиг. 4). Появление присоса приводит к появлению в сигнале стохастической составляющей и расширению полосы частот до 200 кГц, спектр сигнала при этом становится широкополосным (фиг. 5). Также наличие присоса приводит к появлению максимума взаимной корреляционной функции (фиг. 7) - шумовой процесс становится коррелированным.
Таким образом, на основе сопоставления параметров акустических сигналов, соответствующих герметичным и негерметичным объектам, можно сделать вывод, что диагностирование присоса возможно по локальному изменению уровня акустического сигнала, по появлению коррелированной составляющей акустического процесса, по расширению полосы частот, которое может быть выражено увеличением энтропии спектра.
В предлагаемом способе в отличие от прототипа используется частный коэффициент корреляции, который позволяет выявлять негерметичость на фоне коррелированной помехи за счет расчета коэффициента корреляции сигналов, исключая влияние опорного сигнала, соответствующего коррелированной помехе, что существенно расширяет область применения предлагаемого способа в сравнении с прототипом.
Также в предлагаемом способе (в отличие от прототипа) расчет всех критериев наличия негерметичности, амплитудного, спектрального и корреляционного не требует существенных вычислительных ресурсов и может быть реализован с помощью встроенного программного обеспечения портативного прибора.
В предлагаемом способе используется критерий спектральной энтропии, параметр энтропии спектра является универсальным признаком наличия присоса, не требующим отстройки от спектральных составляющих опорного сигнала, что приводит к более точному и простому выявлению негерметичности по сравнению с прототипом.
Использование изобретения позволяет повысить быстродействие способа определения герметичности за счет упрощения математических вычислений, а также расширить область применения и повысить точность за счет исключения влияния коррелированных технологических помех.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТЫ МЕСТА ТЕЧИ В ПРОДУКТОПРОВОДЕ | 1998 |
|
RU2181881C2 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ С МИНИМАЛЬНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ | 2005 |
|
RU2276467C1 |
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТЫ МЕСТА ТЕЧИ В ПРОДУКТОПРОВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2016 |
|
RU2628672C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ С МИНИМАЛЬНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ | 2004 |
|
RU2286024C2 |
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПАУЗ В РЕЧЕВЫХ СИГНАЛАХ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ | 2010 |
|
RU2436173C1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ МАЯК-ОТВЕТЧИК ПО ГОРИЗОНТАЛЬНОМУ И ВЕРТИКАЛЬНОМУ УГЛУ | 2011 |
|
RU2492498C2 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ С МИНИМАЛЬНОЙ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ | 2006 |
|
RU2316128C1 |
СПОСОБ ПРИЕМА СИГНАЛОВ С МИНИМАЛЬНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2006 |
|
RU2303855C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ С МИНИМАЛЬНОЙ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ | 2006 |
|
RU2300176C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ С МИНИМАЛЬНОЙ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ | 2003 |
|
RU2234198C1 |
Использование: для определения присосов воздуха в вакуумной системе паротурбинных установок. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют временные реализации акустических сигналов на поверхности оборудования и выполняют расчет амплитудного, спектрального и корреляционного критериев наличия течи, при этом временные реализации акустических сигналов измеряют в двух точках предполагаемого присоса s1, s2 и в двух точках отсутствия присоса s3, s4 для определения опорного сигнала, фильтруют полученные акустические сигналы, определяют стационарные участки акустических сигналов, формируют выборку временных реализаций акустических сигналов, амплитудный критерий наличия присоса critA рассчитывают на основе сравнения среднеквадратических отклонений сигналов s1, s2, s3, s4, спектральный критерий наличия присоса critE рассчитывают на основе сравнения энтропии спектров сигналов s1, s2 и сигналов s3, s4, корреляционный критерий наличия присоса critR получают на основе расчета частного коэффициента корреляции сигналов s1 и s2, исключая влияние сигнала s3, после чего рассчитывают взвешенный интегральный критерий наличия присоса crit по формуле crit=α⋅critA+β⋅critE+γ⋅critR, где α, β, γ - весовые коэффициенты, такие что α+β+γ=1, при этом, если значение crit менее 0,5, делают вывод об отсутствии присоса воздуха, если значение crit находится в диапазоне 0,5-0,67, делают вывод о возможном наличии присоса воздуха, если значение crit превышает 0,67 - делают вывод о наличии присоса воздуха. Технический результат: повышение быстродействия определения присосов воздуха в вакуумной системе паротурбинных установок, а также расширение области применения и повышение точности. 7 ил.
Способ определения присосов воздуха в вакуумной системе паротурбинных установок, основанный на измерении временных реализаций акустических сигналов на поверхности оборудования и расчете амплитудного, спектрального и корреляционного критериев наличия течи, отличающийся тем, что временные реализации акустических сигналов измеряют в двух точках предполагаемого присоса s1, s2 и в двух точках отсутствия присоса s3, s4 для определения опорного сигнала, фильтруют полученные акустические сигналы, определяют стационарные участки акустических сигналов, формируют выборку временных реализаций акустических сигналов, амплитудный критерий наличия присоса critA рассчитывают на основе сравнения среднеквадратических отклонений сигналов s1, s2, s3, s4, спектральный критерий наличия присоса critE рассчитывают на основе сравнения энтропии спектров сигналов s1, s2 и сигналов s3, s4, корреляционный критерий наличия присоса critR получают на основе расчета частного коэффициента корреляции сигналов s1 и s2, исключая влияние сигнала s3, после чего рассчитывают взвешенный интегральный критерий наличия присоса crit по формуле crit=α⋅critA+β⋅critE+γ⋅critR, где α, β, γ - весовые коэффициенты, такие что α+β+γ=1, при этом, если значение crit менее 0,5, делают вывод об отсутствии присоса воздуха, если значение crit находится в диапазоне 0,5-0,67, делают вывод о возможном наличии присоса воздуха, если значение crit превышает 0,67 - делают вывод о наличии присоса воздуха.
CN 104316277 A, 28.01.2015 | |||
Способ контроля присосов атмосферного воздуха | 1988 |
|
SU1625989A1 |
Способ обнаружения присосов атмосферного воздуха в цилиндр низкого давления паровой турбины | 1987 |
|
SU1460357A1 |
Способ определения величины присосов воздуха в котел | 1987 |
|
SU1456712A1 |
CN 115324663 A, 11.11.2022 | |||
CN 113465825 A, 01.10.2021. |
Авторы
Даты
2023-07-24—Публикация
2023-03-06—Подача