بررسی علت ارتعاشات توربین برق آبی (مثال واقعی)

این مقاله به تجزیه‌وتحلیل و شناسایی علل ارتعاشات نامتعارف ارتعاشات توربین برق آبی واحدهای 3 و 5 یک نیروگاه می‌پردازد.

ابتدا دستگاه آنالایزر ارتعاشات و حدود مجاز ارتعاشی معرفی شده است.

در بخش بعدی ضمن شرح مراحل تست و اندازه‌گیری ارتعاشات، تحلیل ارتعاشات واحد انجـام شـده است.

در پایان با توجه به نتایج تحلیل ارتعاشات، عیوب سیستم شناسایی و نتایج پس از رفع عیوب ارائه شده است.

ابزار اندازه‌گیری ارتعاشات

در اندازه‌گیری ارتعاشات توربین برق آبی و ژنراتورهای نیروگاه، از دستگاه ارتعاش سنج Vibrotest60 به همراه سنسور شتاب­‌سنج AS-065

و دستگاه ارتعاش­سنج STD3300 به همراه سنسور شتاب­سنج VC-11  استفاده شده است.

علاوه بر آن سیگنال ارتعاشات از پورت‌های BNC خروجی کارت‌هایVibroControl4000  نصب‌شده در نیروگاه برق آبی اندازه‌گیری و ثبت شده است.

سنسورهای نصب‌شده در هر واحد توربین- ژنراتور شامل دو عدد سنسور ارتعاشات مطلق یاتاقان و دو عدد سنسور ارتعاشات نسبی شفت هستند که روی یاتاقان‌های UGB، CB و TGB نصب شده‌­اند.

چیدمان یاتاقان‌ها و محل نصب سنسورهای ارتعاشی توربین- ژنراتورها که ارتعاشات این توربین برق آبی را اندازه گیری میکند

و کارت‌های ارتعاشی VibroControl4000 در شکل های زیر نشان داده شده است.

حدود مجاز ارتعاشات حدود آلارم و تریپ برای ارتعاشات نسبی و مطلق یاتاقان‌های ژنراتور توربین برق آبی

طبق مقادیر تنظیم‌شده در سیستم کنترلی نیروگاه توربین برق آبی در جدول زیر آمده است.

تست‌های ارتعاشات توربین برق آبی

اندازه‌گیری ارتعاشات توربین برق آبی از پورت‌های خروجی سنسورهای دائمی واحدهای 3 و 5 که روی پنل ارتعاشات قابل‌دسترسی هستند

و توسط سنسورهای پرتابل دستگاه‌های ارتعاش سنج که در محل قرارگیری سنسورهای دائمی نصب شده‌­اند،

در شرایط مختلف بهره‌برداری انجام شده است.

زمان اندازه‌گیری، شرایط بهره‌برداری و شمارۀ تست‌های انجام‌­شده روی واحدهای 3 و 5 به ترتیب در جدول­‌های زیر آمده است.

در هر تست سیگنال ارتعاشی مربوط به ارتعاشات مطلق یاتاقان برحسب mm/s

و ارتعاشات نسبی شفت برحسب µm مربوط به کلیۀ سنسورهای نصب­‌شده روی واحد از طریق پورت‌های خروجی پنل ارتعاشی اندازه‌گیری شد.

اندازه‌گیری مطلق یاتاقان با استفاده از سنسورهای پرتابل در محل یاتاقان UGB جهت بررسی صحت عملکرد سنسورهای دائمی واحد، در دو جهت انجام گشت.

اندازه‌گیری ارتعاشات توربین برق آبی

مقادیر کلی ارتعاشات توربین برق آبی اندازه‌گیری‌­شده از پورت‌های خروجی سنسورهای دائمی واحدهای 3 و 5 به ترتیب در جداول زیر آمده است.

برای قرائت سیگنال پورت‌های خروجی کارت Vibrocontrol4000 از ضرایب حساسیت 100mv/g برای ارتعاشات مطلق و 8mv/ µm برای ارتعاشات نسبی استفاده شده است.

در ضمن مقادیر کلی ارتعاشات اندازه‌گیری­شده واحدهای 3 و 5 با سنسورAS-065 دستگاه VibroTest-60  به ترتیب در جداول زیر آمده است.

اندازه‌گیری با دستگاه STD3300، مقادیر قرائت‌شده با دستگاه VibroTest-60  را تأیید نمود که از تکرار آن خودداری می‌گردد.

اندازه‌گیری ارتعاشات در حالت‌های گذرا (راه‌اندازی، تغییر بار و توقف) روی بعضی از نقاط انجام شده که به‌صورت نمودارهای دامنه برحسب زمان یا دامنه برحسب دور در شکل‌های زیر ترسیم شده است.

 تحلیل داده‌های ارتعاشات توربین برق آبی

اندازه‌گیری‌های انجام شده نشان می‌دهد که ارتعاشات توربین برق آبی واحدهای 3 و 5 به بار واحد بستگی دارد

و با افزایش بار دامنۀ ارتعاشات مطلق یاتاقان‌ها افزایش می‌یابد.

همچنین این دو واحد رفتار مشابهی داشته‌اند که یکسان بودن مشکل در این دو واحد را محتمل می‌نماید.

بر این اساس رفتار ارتعاشی این دو واحد در پنج مرحلۀ مختلف به شرح زیر بررسی می‌شود.

• راه‌اندازی واحد:
  دامنۀ ارتعاشات کلیۀ سنسورها حین راه‌اندازی توربین برق آبی در محدودۀ نرمال است
  و افزایش تدریجی دامنه و تغییرات فاز به‌صورت معمول در توربوژنراتورهای آبی رخ می‌دهد.

• دور نامی بدون تحریک:
  در این حالت دامنۀ ارتعاشات توربین برق آبی در کلیۀ سنسورها در محدوده نرمال ثبت شده است.
  مؤلف اصلی در ارتعاشات نسبی در فرکانس‌های یک برابر دور و دو برابر دور مشاهده می‌گردد.
  در ارتعاشات مطلق نیز فرکانس‌های یک و دو برابر دور به میزان کم به همراه ارتعاشات با باند گسترده فرکانسی مربوط به جریان آب در توربین مشاهده می‌شود که کاملاً عادی است.
• دور نامی با تحریک:
  با برقرار شدن تحریک روتور تغییر قابل‌ملاحظه‌­ای در رفتار ارتعاشی توربین برق آبی مشاهده نمی‌شود.
• بار 30 مگاوات: بعد از موازی شدن با شبکه و ثابت شدن در توان 30MW،
  ارتعاشات مطلق قرائت‌شده از پنل ارتعاشی اندکی افزایش می‌یابد،
  این در حالی است که ارتعاشات نسبی در کلیۀ سنسورها روند نزولی را نشان می‌دهند.
  اندازه‌گیری ارتعاشات مطلق یاتاقان UGB با سنسورهای مستقل، نیز بیانگر کاهش اندک در ارتعاشات مطلق است.
  طیف فرکانسی ارتعاشات مطلق نشان می‌دهد که افزایش دامنۀ ارتعاش مربوط به ظهور یک پیک جدید در فرکانس 50 هرتز است.
  این فرکانس که با فرکانس جریان استاتور یکسان است،
  در اندازه‌گیری با سنسورهای مستقل که در محل سنسورهای دائمی ژنراتور نصب شدند،به‌هیچ‌وجه مشاهده نمی‌گردد.
  برای اطمینان اندازه‌گیری با چهار سنسور متفاوت و دو دستگاه که همگی کالیبره بودند،
  تکرار گشت که هیچ اختلافی در نتایج مشاهده نشد.

• بار کامل (250 مگاوات):

  اندازه‌گیری در حالت بار کامل (در واحد 5 به­‌علت مشکلات تولید در بار 220 مگاوات داده‌برداری کامل انجام شد و افزایش بار تا 250 مگاوات به‌صورت لحظه‌ای انجام شد)
  نشان‌دهندۀ افزایش شدید ارتعاشات مطلق کلیۀ یاتاقان‌ها در هر دو توربین برق آبی واحد 3 و 5 بود.

• افزایش ارتعاش در یاتاقان‌های UGB و CB شدت بیشتری دارد.
  این در حالی است که در اکثر نقاط ارتعاشات نسبی روند کاهشی یا ثابتی را داشت
  و اندازه‌گیری ارتعاشات مطلق یاتاقان UGB با سنسور مستقل این افزایش ارتعاش را نشان نمی‌داد.
  طیف فرکانسی ارتعاشات مطلق نشان می‌دهد که مؤلفه 50 هرتز افزایش زیادی داشت که در سایر اندازه‌گیری‌ها تأیید نمی‌گردد
  (فرکانس 43 هرتز در طیف ارتعاشات مطلق با سنسور پرتابل مربوط به فرکانس گذر پره در رانر بوده است که ماهیتی کاملاً متفاوت دارد).
• کاهش بار:
  با کاهش بار، دامنۀ ارتعاشات مطلق کاهش‌ یافته است و رفتاری مشابه حالت افزایش بار تکرار می‌شود.

• توقف واحد: پس از قطع تحریک و کاهش دور واحد از 187RPM دامنۀ ارتعاشات توربین برق آبی در کلیۀ سنسورها کاهش می‌یابد.
  با در مدار آمدن ترمز الکتریکی، ارتعاشات مطلق ناگهان افزایش می‌یابد.

• این روند افزایشی با شیب کمتر دنبال می‌شود تا به حد تریپ واحد برسد.
  در این حالت هم ارتعاشات نسبی روند نزولی خود را کاهش می­دهند و سنسورهای مستقل افزایش دامنۀ ارتعاش را تأیید نمی‌کنند.
  فرکانس غالب در ارتعاشات مطلق واحد، با فرکانس جریان استاتور (RPM×16) برابر است.

 نتیجه‌گیری

در بررسی طیف‌های فرکانسی، بیشترین دامنۀ ارتعاش مطلق قرائت‌شده از پنل، در فرکانس 50 هرتز مشاهده می‌شود.

این در حالی است که در طیف‌های فرکانسی اندازه‌گیری­‌شده توسط دستگاه‌های پرتابل،

پیک قابل‌توجهی در فرکانس 50 هرتز مشاهده نمی‌شود.

قوی‌ترین احتمال می‌تواند نویز الکترومغناطیس ناشی از جریان استاتور باشد

که روی کابل‌های ارتباطی سنسور و کارت‌های ارتعاشی تأثیرگذار است.

همان‌طور که مشاهده گردید با افزایش جریان استاتور، دامنۀ فرکانس 50 هرتز نیز افزایش می‌یابد،

که این خود گواه بر تأثیر زیاد این جریان بر روی میزان ارتعاشات اندازه‌گیری­‌شده از روی پنل است.

هنگام ترمز الکتریکی نیز به­‌دلیل بالا بودن جریان استاتور، دامنۀ فرکانس 50 هرتز به‌وضوح مشاهده می‌شود.

با توجه به مقادیر مجاز ارتعاشی تعیین‌شده برای ارتعاشات توربین برق آبی در یاتاقان‌های توربین و ژنراتور،

مقادیر اندازه‌گیری­‌شده ارتعاشات توسط سنسورهای دستگاه VibroTest-60 در تمامی تست‌های انجام شده،

در محدودۀ قابل‌قبول هستند و به‌اندازه کافی با حد Alarm  فاصله‌دارند.

بنابراین درمجموع می‌توان گفت که ارتعاشات مطلق قرائت‌شده از سنسورهای دائمی واحد،

کاذب هستند و واحدهای 3 و 5 این نیروگاه ازنظر ارتعاشی در وضعیت عادی به سر می‌برند.

البته درمجموع واحد 3 دارای ارتعاش بیشتری نسبت به واحد 5 است.

بررسی‌های انجام­‌شده نشان می‌دهد که مشکل نویز الکترومغناطیس ناشی از نامناسب بودن شیلد کابل‌ها یا Earth سیگنال بوده است.

در این شکل محل اتصال شیلد سنسور و Earth در زمان نصب واحد جابجا نصب شده بوده‌اند

که با اصلاح اتصالات سنسور، نویز سیستم (فرکانس 50Hz ­) به‌کلی حذف گردید.

منبع: عباس روحانی بسطامی، مهدی بهزاد، سالار خوبانی، مسعود رضایی،” عیب یابی سیستم پایش وضعیت ارتعاشات واحدهای 3 و 5 نیروگاه کارون 3 “، پنجمبن کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب ­یابی، آبادان، دانشکده نفت آبادان، اسفند 1389