NTIS je moderní výzkumné centrum Fakulty aplikovaných věd (FAV) Západočeské univerzity. Centrum se soustředí na kybernetiku, informatiku a strojní inženýrství – obory, které jsou zásadní pro vývoj a aplikaci technologií z oblasti informací, komunikací a mechatroniky, stejně jako pro rozvoj fyziky a geomatiky. Laboratoř DiagEn se soustředí na systémy pro pokročilou diagnostiku rotačních strojů. Rotační stroje, jako jsou parní turbíny, kompresory a rotační pumpy, jsou zásadní pro výrobu elektrické energie. Poruchy a následné odstávky mohou vést ke značným ztrátám, takže trendem se stává online monitoring těchto zařízení, aby provozovatel dostával aktuální informace o jejich stavu.
Nabízíme moderní a pokročilé metody pro diagnostiku rotačních strojů, se zaměřením na včasnou detekci hrozících poruch. Snažíme se především o detekci a lokalizaci tření, které má významný dopad na funkci parních turbín. Další důležitou oblastí zájmu je bezkontaktní monitoring vibrací v rotačních součástech (lopatky).
V průběhu posledních let se tření mezi rotorem a statorem stalo běžným fenoménem při provozu parních turbín. Prostory v cestách pro proudění v turbínách se neustále zužují kvůli snahám o rostoucí účinnost. V první fázi se obrousí těsnění umístěné mezi rotační a stacionární části turbíny a v důsledku toho roste objem unikajícího média a klesá účinnost turbíny. V případech, kdy nedojde k včasné detekci tření mezi statorem a rotorem a k jeho odstranění, může dojít k závažnému poškození rotoru či statoru, případně může dojít k poškození celé turbíny a k závažným ekonomickým škodám.
Operátor stroje může v současné době odhalit tření mezi rotorem a statorem na základě analýzy vibračních signálů v časové oblasti při monitorování celkové úrovně vibrací, případně podle vektoru první harmonické složky rotační frekvence ve vibračních signálech.
Před několika lety nás společnost Doosan Škoda Power požádala, abychom vyvinuli systém pro detekci tření. Díky znalosti softwaru LabVIEW z předchozích projektů jsme se rozhodli použít LabVIEW a měřicí zařízení na bázi PXI pro sběr dat z nainstalovaného monitorovacího systému a vyvinout algoritmy, které by dokázaly tření odhalit. Zvolili jsme LabVIEW a hardware od NI, protože jsme chtěli využít čas pro práci na samotném algoritmu, namísto toho, abychom jej trávili sběrem dat a programováním.
První verzi jsme vyvinuli s použitím ukázkových kódů, výukových materiálů k LabVIEW a technické podpory od NI. Systém se nám podařilo úspěšně validovat na několika instalacích ve společnostech Doosan Škoda Power a Siemens.
Abychom umožnili snadnější přenášení systému RAMS, přenesli jsme kód na kompaktnější samostatnou platformu CompactDAQ. Jde o vestavný kontrolér s integrovanými pozicemi pro měřicí moduly.
Fungování systému RAMS je založeno na faktu, že kromě změny vektoru první harmonické složky ve vibračních signálech, je tření doprovázeno také vznikem sub synchronních spektrálních složek s frekvencemi, které odpovídají počtu nárazů rotoru do statoru za periodu jedné otáčky.
Obrázek 1. Diagnostický systém RAMS a příklad diagnostického výstupu (normované kumulativní úplné spektrum) nástroje pro detekci tření
Vyvinuli jsme pokročilý diagnostický systém, který představuje zařízení schopné detekovat původ a vznik tření mezi rotorem a statorem v reálném čase a paralelně. Dokáže tak přesně určit místo, kde ke tření dochází, ze standardních signálů o vycentrování hřídele a vibrací statoru, měřených na parních turbínách. Náš diagnostický systém RAMS tak používá převodníky standardně instalované na turbíny pro měření vibrací.
Tento systém umožňuje detekovat riziko nebezpečných provozních podmínek u parních turbín a zároveň odhalit jejich příčinu. Jde o zcela unikátní zařízení. Včasná a automatická detekce a lokalizace tření mezi statorem a rotorem, kterou tento systém umožňuje, není v současné době dostupná u žádného z monitorovacích systémů pro parní turbíny na celém světě.
Výzkumný a vývojový tým v laboratoři DiagEn ve společnosti Doosan Škoda Power už tento systém úspěšně nainstaloval na 12 parních turbín, kde detekuje tření a následně lokalizuje místo jeho původu. Čelní experti z praxe i z univerzit ocenili vyvinuté metody a celý diagnostický systém. Tato technologie momentálně prochází patentovým řízením v Evropě i ve Spojených státech.
Nedávno jsme naše systémy instalovali také v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín. Naše systémy nabízíme jak jako službu v podobě dočasného měření, tak jako řešení pro stálý monitoring.
Obrázek 2. Příklad výstupu lokalizace tření (osový a tečný) se 100% korelací s výsledky inspekce při rozebrání turbíny
Závěr
Profesionální komunita považuje za velký úspěch identifikaci části parní turbíny, kde dochází ke tření (vysokotlaká, střednětlaká či nízkotlaká část). Naši technologii můžeme využít pro lokalizaci tření s přesností na centimetry, čímž dochází ke značnému zkrácení délky odstávky, neboť dopředu známe problémové místo. Ze stejného důvodu může být i plánování oprav mnohem podrobnější. Z pohledu provozu parních turbín slouží vyvinutá technologie jako skvělá včasná výstraha, která dokáže předcházet zničení parní turbíny kvůli tření, které nebylo odhaleno včas. Pracujeme na algoritmech pro monitoring lopatek rotoru na stejné hardwarové platformě.
