DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin METODY IDENTYFIKCJI SYSTEMÓW W DIGNOSTYCE UKDÓW REGULCJI TURIN Toasz RSZCZ, Piotr CZOP, Tadeusz UHL kadeia Górniczo-Hutnicza, KRiDM, l. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków LabMod, 42-624 Ossy, ul. Lena 2a Streszczenie W przeyle energetyczny wzrasta zapotrzebowanie na efektywne technologie diagnostyczne, które og podnie bezpieczestwo, sprawno i dyspozycyjno elektrowni. Ukady regulacji odgrywaj kluczow rol w eksploatacji bloków. Jako ukadów regulacji jest jedny z najwaniejszych czynników prowadzcych do waciwego zarzdzania zasobai elektrowni. rtyku przedstawia dyskusj oliwoci zastosowania identyfikacji systeów w ocenie stanu technicznego eleentów ukadu regulacji. Zbudowano odel ukadu regulacji oraz przeprowadzono badania na obiekcie rzeczywisty i stanowisku laboratoryjny. Sowa kluczowe: diagnostyka, identyfikacja systeów, ukad regulacji SYSTEM IDENTIFICTION METHODS IN STEM TURINE CONTROL SYSTEM DIGNOSTICS Suary Power generation industry is deanding high quality odern diagnostic technologies to increase safety, efficiency and availability of plants. Control systes play vital role in securing plant operation. Quality of stea turbine control syste is one of key factors for proper anageent of plant assets. Following paper presents, how syste identification techniques can be applied assessent of control syste eleents technical state. The odel of control systes was built. Research were done at industrial turbine and test rig. Keywords: diagnostics, syste identification, control syste OZNCZENI - gsto oleju [kg/ 3 ], - kt opasania [rad] otworów zasilajcych i odbierajcych znajdujcych si w tulei rozdzielacza (porty:,, P, T), - aksyalny kt obrotu wau serwootoru [rad], - odue sprystoci cieczy [Pa] dla typowego oleju ineralnego =1.710 3 [MPa], - prdko toka serwootoru o ruchu obrotowy [rad/s], - pulsacja [rad/s], - przeieszczenie toka serwootoru o ruchu obrotowy [rad], d - wspóczynnik przepywu przez otwory rozdzielacza, p=p wy -p we spadek cinienia na zaworze lub zwce poidzy wyjcie i wejcie [N/ 2 ] s - wspóczynnik noralny przepywu zwki na zasilaniu siownika,, P, T - oznaczenie portów (kanaów) rozdzielacza wg rysunku (Rys. 9),,,C - wieloiany wykorzystywane do opisu transitancji, 0 - pole powierzchni zwki [ 2 ] F obcienie zewntrzne f() - nieliniowy oent tarcia [N] w ruchu obrotowy f(v) - nieliniowa sia tarcia [N] w ruchu prostoliniowy F 0 - wstpny nacig spryny siownika [N] fs czstotliwo próbkowania [Hz] G eleenty ukad laboratoryjnego lub jego odelu na które skadaj si: regulator proporcjonalny, serwozawór oraz siownik opisane równaniai stanu, g - aksyalne przeieszczenie serwootoru [], H(j,i) - estyowana nieparaetrycznie niestacjonarna dyskretna transitancja obiektu, kolorujca biay szu e(i), H(z -1,i) - estyowana paraetrycznie niestacjonarna dyskretna transitancja obiektu, kolorujca biay szu e(i), i dyskretna dziedzina czasu, I - oent bezwadnoci toka serwootoru obrotowego [kg], j = 1 K(j,i) - estyowana nieparaetrycznie niestacjonarna dyskretna transitancja obiektu,
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin K(z -1,i) - estyowana paraetrycznie niestacjonarna dyskretna transitancja obiektu, k s - wspóczynnik sztywnoci spryny [N/], - asa toka oraz toczyska serwootoru [kg], n(t) addytywny szu poiarowy, n,n,nc - rzd wieloianu odpowiednio,, C wykorzystanych do zapisu transitancji, p - cinienie pod tokie siownika [Pa] p - cinienie w koorze siownika [Pa], p - cinienie w koorze siownika [Pa], p p - cinienie zasilania rozdzielacza [Pa], p T - cinienie odpywu rozdzielacza [Pa], q - ogólnie przepyw oleju [ 3 /s], q - przepyw do koory [ 3 /s], q, q - przepywy [ 3 /s] zwizane z wzajeny oddziaywanie toka i cieczy w serwootorze, 3 q - przepyw do koory [ /s], q C - przepywy [ 3 /s] zwizane z wzajeny oddziaywanie toka i cieczy w serwootorze obrotowy, q c - sprzenie hydrodynaiczne poidzy ciecz a tokie serwootoru [ 3 /s] q l - przecieki poidzy koorai serwootoru [ 3 /s], R - proie przekroju przestrzeni roboczej liczony od rodka do koca opatki serwootoru [] R d proie tulei rozdzielacza []. S - powierzchnia toka serwootoru o ruchu obrotowy [ 2 ], S - pole powierzchni toka serwootoru [ 2 ] od koory, S - pola powierzchni toka serwootoru [ ] od koory, t - ciga dziedzina czasu, T - teperatura oleju zasilajcego (zakócenia), u(t) - sygna wejciowy obiektu, u(i) - sygna u(t) próbkowany z czstotliwoci fs, V - objto cylindra siownika [ 3 ], V 0 - pocztkowa objto koory [ 3 ], V 0 - pocztkowa objto koory [ 3 ], v - prdko toka serwootoru o ruchu liniowy [/s], v s - prdko toczyska siownika [/s], W - wspóczynnik strat cinienia dla przepywu burzliwego, w(t) - sygna zadany (referencyjny), y(i) - sygna y(t) próbkowany z czstotliwoci fs, y(t) - sygna wyjciowy obiektu, y d - przeieszczenie suwaka rozdzielacza [], y d0 - przekrycie rozdzielacza [], y - przeieszczenie toka serwootoru o ruchu liniowy [], y s - przeieszczenie toczyska siownika [], Z - wspóczynnik strat cinienia dla przepywu lainarnego, z -1 - operator transforaty Z, INDEKSY s siownik d rozdzielacz serwootor 2 SYMOLE RX(n,n,k) - ang. utoregressive with exougenous input RMX(n,n,nC,k) - ang. utoregressive Moving verage with exogenous Input RRX(n,n,k) - ang. Recursive utoregressive with exougenous input EH - przetwornik elektrohydrauliczny WP - wysokoprna sekcja turbiny SP - rednioprna sekcja turbiny NP - niskoprna sekcja turbiny FDI - ang. Fault Detection and Isolation DEFINICJE POJ Identyfikacja paraetrów - estyacja wartoci paraetrów odelu RX, RRX, RMX, na podstawie zarejestrowanych sygnaów poiarowych Ukad laboratoryjny - stanowisko badawcze skadajce si z zespou pop zapewniajcych uzyskanie cinienia zasilania do 14 [MPa], serwozaworu firy Moog odel D761-104 oraz siownika dwustronnego dziaania (pulsatora) o skoku aksyalny h=250 [] oraz rednicy toka 65 []. Scheat blokowy ukadu hydraulicznego przedstawia rysunek (Rys. 10). Stanowisko laboratoryjne zostao skonfigurowane przez pracowników Katedry utoatyzacji Procesów Przeysowych GH, Kraków. Obiekt przeysowy - turbina parowa upustowoprzeciwprn o ocy 32 MW. Ukad regulacji obiektu przeysowego - syste UNIMT 3M (regulator elektroniczny) [18], wraz z eleentai wykonawczyi, na które skadaj si: przetwornik elektrohydrauliczny, siownik, echaniz regulatora echanicznego, rozdzielacz, serwootor obrotowy Diagnostyka aktywna - etody diagnostyczne polegajce na dodaniu specjalnego sygnau, o aplitudzie nie przekraczajcej kilku procent aplitudy sygnau sterujcego. Sygna taki posiada waciwoci pozwalajce zwikszy stosunek sygna/szu zniejszajc wpyw korelacji poidzy wejcie/wyjcie oraz zakóceniai diagnozowanego obiektu. 1. WPROWDZENIE Energetyka wyaga technologii diagnostycznych, które poog poprawi bezpieczestwo, dyspozycyjno i sprawno [1]. ardzo istotne jest równie wykorzystanie inforacji diagnostycznej do planowania reontów (ograniczenia zakresu reontu do dziaa niezbdnych lub aksyalizacji efektu przy zaoonych rodkach). Zapotrzebowanie to spowodowao rozwój nowych technik, bazujcy na badaniach w zakresie inynierii echanicznej
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin oraz inforatyki i przetwarzania sygnaów ([1],[17]). Pokrewn dziedzin s etody wykrywania i lokalizacji uszkodze (FDI). Przegld etod FDI ona znale np. w [2,3,5,6,14]. Jedn z najbardziej obiecujcych etod jest diagnostyka oparta na odelu powizana z identyfikacj systeów. Zadanie okrelenia niesprawnoci ona scharakteryzowa ogólnie w oparciu o nieliniowe równania stanu (1) x ( t) q( t, x( t), u( t), w( t), f g ( t); ), x ( 0) x (1) 0 y( t) h( t, x( t), u( t), v( t), f ( t); ) gdzie: x(t) jest n-wyiarowy wektore stanu, y(t) wektore wyj, u(t)jest wektore wej, f(t) jest wektore addytywnych uszkodze, w(t) oraz v(t) s wektorai odpowiednio zakóce ziennych stanu i wyj, x 0 oznacza wektor warunków pocztkowych, jest zbiore paraetrów odelu. Uszkodzenia og by odelowane jako addytywne poprzez wyieniony wektor f (t) uszkodze wej i wyj, lub jako uszkodzenia ultiplikatywne wice si ze zianai wartoci zbioru paraetrów odelu. W odelach nieliniowych takie rozrónienie jest utrudnione, ponao istnieje oliwo przyjcia zaoenia, e paraetry odelu zale od czasu, prowadzce do odelu niestacjonarnego. 2. CEL I POTRZE D W raach projektu badawczego Nr 8 T07C 019 20 Koitetu ada Naukowych podjto dziaania zierzajce do wstpnego oszacowania oliwoci wdroenia w przeyle etod diagnostyki ukadów regulacji turbin parowych. W raach projektu prowadzono badania na dwoa wzajenie uzupeniajcyi si zagadnieniai: - sygnaai diagnostyki aktywnej ukierunkowanyi na zastosowania w ukadach regulacji turbin parowych, - etodai detekcji oraz rozpoznawania uszkodze w ukadach regulacji turbin parowych Dysponujc ograniczonyi oliwociai finansowania eksperyentów prowadzonych na obiektach przeysowych oraz pilotaowy charaktere projektu, skupiono uwag na badaniach laboratoryjnych oraz syulacjach nuerycznych, które powinny wykaza celowo oraz oszacowa skuteczno proponowanych etod diagnostycznych. Zaoono oliwo paraetrycznej detekcji uszkodze w wyniku identyfikacji paraetrów odelu regresyjnego. Prawidowe wnioskowanie o uszkodzeniach na podstawie paraetrów odelu regresyjnego wyaga wczeniejszego skatalogowania oraz wyszczególnienia podstawowych uszkodze wystpujcych w ukadach regulacji turbin parowych oraz odpowiadajcych i syptoów. Wstpne rozeznanie przeprowadzono na podstawie dokuentacji serwisowej, statystyk zakadowych, rozów z pracownikai zakadów w których h znajdowa si obiekt przeysowy, istniejcej literatury technicznej, opracowa specjalistycznych oraz wyników bada laboratoryjnych. Ukady regulacji turbin parowych wyposaone s w zawory regulacyjne sterowane sekwencyjnie poprzez serwootor napdzajcy wa z krzywkai lub te sterowanych niezalenie, etod jeden zawór jeden serwootor. Druga etoda realizacji ukadów wykonawczych jest kosztowniejsza, dlatego stosowana jest gównie w duych turbinach parowych o ocy powyej 100 MW. W przypadku niezalenego sterowania pooenie zaworów uzyskuje si znaczce polepszenie jakoci regulacji poprzez oliwo okrelenia dowolnej konfiguracji otwarcia zaworów optyalizujc w ten sposób wydajno, oc oraz pozio drga turbiny. Niezalena regulacja zaworów upraszcza budow zaworów oraz ukadu przeniesienia napdu od serwootoru do zaworów, poprzez eliinacj dwigni oraz wau z krzywkai. Serwootor znajduje si wtedy nad zawore i jest z ni poczony sprzge sztywny. Zasilany jest bezporednio oleje poprzez typowy proporcjonalny elektryczny serwozawór (rozdzielacz), np. fir Moog lub Vickers. Poio niewtpliwych zalet bezporedniego sterowania zaworai regulacyjnyi koszt odernizacji turbiny jest wysoki, poniewa najczciej wyagana jest wyiana górnego korpusu turbiny oraz zastosowanie zaawansowanego systeu sterowania (np. ProControl firy, MRK V firy General Electric). Popularne s rozwizania czciowe polegajce na odernizacji stopnia wysokoprnego turbiny i pozostawieniu tradycyjnego ukadu regulacji na stopniach rednioprny i niskoprny. Starsze rozwizania z wae krzywkowy wyagaj stosowania w ukadzie hydrauliczny oleju ipulsowego (sterujcego) oraz roboczego. Podstawowa ptla sprzenia zwrotnego realizowana jest wtedy poprzez siownik zasilany oleje ipulsowy, dwigni, rozdzielacz oraz serwootor zasilane oleje roboczy (por. Rys. 2). Otwieranie zaworów odbywa si poprzez wa krzywkowy oraz syste asywnych dwigni, wyagajc uycia duych si oraz staej kontroli luzów. Obecnie stosowana generacja ukadów regulacji turbin (elektronika przetwarzajca sygnay) jest ju wyposaona w podstawowe procedury diagnostyczne ([18],[19]), sprawdzajce aksyalne pozioy sygnaów oraz ich przyrosty w czasie, np. wybicie od spadku cinienia oleju sarnego, regulacyjnego, wybicie od wzrostu teperatury pary wieej, wybicie od przekroczenia szybkoci schodzenia itd. ardziej zaawansowane procedury okrelaj szczelno zaworów, przeprowadzaj próby zaworów odcinajcych oraz upustów. Istnieje równie liczna grupa procedur sprawdzajcych tolerancj ukadu regulacji na uszkodzenia. Polegaj one na wyczaniu rczny lub autoatyczny poszczególnych eleentów
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin ukadu regulacji w celu sprawdzenia podjcia dziaania przez eleenty rezerwowe, np. próba zaczenia si popy rezerwowej oleju regulacyjnego. Stosowane ukady regulacji wykorzystuj w szeroki zakresie redundancj sprztow ([18],[19]) wykazujc odporno na wybrane uszkodzenia. Typowe eleenty i funkcje podlegajce redundancji to np. trójdrony poiar prdkoci obrotowej lub ukady ikroprocesorowe z oliwoci gosowania w przypadkach rozbienoci w sygnaach sterujcych lub ierzonych. Obserwujc dynaiczny rozwój ukadów regulacji zachodzi potrzeba opracowania bardziej zoonych etod diagnostyki opartych na odelach dynaicznych (redundancji analitycznej), gównie wybranych eleentów wykonawczych o najwikszej awaryjnoci. Do eleentów tych nale zawory regulacyjne, zawory upustowe, przetworniki elektrohydrauliczne, serwootory wraz z rozdzielaczai. naliza równa odelu ateatycznego ukadu laboratoryjnego oraz odelu ateatycznego ukadu regulacji obiektu przeysowego prowadzi do wniosków, e wystpujce nieliniowoci s na tyle znaczne, e og wystpi probley z identyfikacj paraetrów stacjonarnych odeli liniowych (o paraetrach nieziennych w czasie), std wynika potrzeba stosowania liniowych odeli niestacjonarnych lub odeli nieliniowych. Istnieje równie wiele innych przeszkód w poprawnej identyfikacji obiektu przeysowego. Do podstawowych zalicza si niski stosunek poziou sygnau do szuu, który jest wynikie zakóce, wynikajcych z dziaania obiektu przeysowego oraz dziaania aszyn i urzdze poocniczych. Zastosowanie przeysowych czujników poiarowych o szerszych tolerancjach, ni te uywane w laboratoriach, równie wpywa negatywnie na pewno estyowanych wartoci paraetrów. Ograniczone zasoby ocy obliczeniowych wykorzystywane do rejestracji i przechowywania danych powoduj, e archiwizuje si tylko podstawowe wielkoci fizyczne z ograniczony pase rejestrowanych czstotliwoci (np. do 100[Hz]) lub tylko trendy wielkoci. Spowodowane jest to du liczb sygnaów poiarowych, która przekracza niejednokrotnie 1500 ziennych dla kopletnego bloku energetycznego. Niekorzystne jest z punktu widzenia oliwoci detekcji niesprawnoci ich askowanie przez ptle sprzenia zwrotnego. Poocna w zakresie polepszenia warunków identyfikowalnoci paraetrów odelu oe okaza si diagnostyka aktywna. Identyfikacja obiektu z wykorzystanie etod diagnostyki aktywnej bdzie stanowi cel dalszych bada. Uwzgldniajc wszystkie wyienione wczeniej probley zwizane z identyfikacj zaplanowano eksperyent laboratoryjny, który ógby w jak najbardziej zbliony sposób odelowa fizycznie dziaanie typowych eleentów ukadu regulacji obiektu przeysowego. W dalszy cigu bada bdzie to podstaw do przenoszenia jakociowych konkluzji dotyczcych przede wszystki wartoci wasnych serwootoru i rozdzielacza, ich nieliniowej zalenoci od pooenia suwaka rozdzielacza i toczyska serwootoru oraz oliwoci obserwacji w ograniczony paie rejestrowanych czstotliwoci. Przyjto oliwo oceny wpywu niesprawnoci poprzez ziany w czasie wartoci wasnych odelu. Podejcie takie wykorzystuje nieliniowo odelu do wnioskowania o charakterze wyusze. Do celów identyfikacji wykorzystano adaptacyjne odele regresyjne o ziennych w czasie paraetrach RRX oraz odele RX, RMX. Naley bra pod uwag ograniczone oliwoci uzyskania inforacji a priori o wartociach wszystkich paraetrów fizycznych i geoetrycznych eleentów wykonawczych ukadu regulacji obiektu przeysowego, np. wspóczynników tarcia. Dlatego uwzgldniajc nieliniowe waciwoci diagnozowanego ukadu oraz silne zakócenia o charakterze szuowy, nie podjto prób wyznaczania wartoci paraetrów fizycznych/geoetrycznych, np. sztywnoci lub tuie etod identyfikacji paraetrów odelu skupiajc uwag wycznie na zianach wartoci wasnych identyfikowanego odelu. Uwzgldniono istnienie ptli sprzenia zwrotnego ([9], [15]) oraz oceniono oliwoci identyfikowalnoci paraetrów obiektu w takich warunkach. Struktur odelu identyfikowanego przyjto wstpnie na podstawie struktury zlinearyzowanego odelu teoretycznego przyjujc identyczny rzd odelu. Nie zawsze ona oworzy wszystkie waciwoci obiektu na podstawie zakóconych danych, dlatego z punktu widzenia wyników identyfikacji korygowano struktur identyfikowanego odelu przyjujc inne kryteria np. dokadnoci dopasowania do danych. Podsuowujc, w dalszej czci artykuu przedstawiono: - Podstawowe wiadooci na teat wybranych niesprawnoci i uszkodze, - Wybrane odele eleentów wykonawczych, - Zastosowane etody identyfikacji nieparaetrycznej i paraetrycznej, - Wyniki identyfikacji nieparaetrycznej i paraetrycznej - Podsuowanie. 3. NIESPRWNOCI I USZKODZENI UKDÓW REGULCJI Najwaniejsze eleenty wykonawcze ukadu regulacji obiektu przeysowego zostay przedstawione na rysunku (Rys. 1). Posugujc si przykade bloków energetycznych, które skadaj si z takich obiektów przeysowych, oówiono podstawowe niesprawnoci i uszkodzenia oraz budow ukadu regulacji.
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin Istnieje oliwo prowadzenia w trybie on-line staego poiaru oraz rejestracji (f s =100 [Hz]) idzy innyi: cinie pary w upustach regulowanych i nieregulowanych, iloci pary do turbiny, pooe serwootoru zaworów regulacyjnych WP i SP, cinie sterujcych serwootorai WP i SP, sygnaów napiciowych z wyjcia regulatora oraz prdów sterujcych do przetworników elektrodydraulicznych WP i SP, cinie pod i nad tokie serwootorów oraz kontrolnych sygnaów dwustanowych. W torze regulacji zadawane s sygnay napiciowe z regulatora UNIMT 3M, oddzielnie dla czci niskoprnej i wysokoprnej turbiny. - zwikszone opory ruchu. Uszkodzenia zwizane z zaworai olejowyi (rozdzielaczai): - ziany zakresu ruchu (erozja, zanieczyszczenia, zakleszczenie), - turbulencje w przepywie, zwikszone opory ruchu suwaka, - cofanie si oleju na skutek rónic cinienia w kanaach dolotowych, - przecieki oleju, - zanieczyszczenia w przewodach olejowych oraz oleju - ziany waciwoci oleju zwizane np. ze spadkie jego gstoci, zuywanie si, zianai teperatury, itp. Jako oliwe uszkodzenia rozdzielaczy, naley wyieni oliwo docinicia suwaka do tulei (np. na skutek nieosiowoci) powodujce przerwanie warstwy saru i wystpienie efektu tarcia suchego w wyniku którego, suwak oe ulec zakleszczeniu [16]. Niesprawno jest konsekwencj wystpienia zanieczyszcze, nadiernej chropowatoci wspópracujcych czci lub nadiernego czasu przebywania suwaka w jednej pozycji [16]. olej roboczy dwignia napd zaworów regulacyjnych olej sterujcy serwootor Rys. 1. Typowa struktura ukadu regulacji turbiny parowej (np. dla czci wysokoprnej) z wyrónienie eleentów wykonawczych W dalszej kolejnoci sygnay s kierowane do wzacniacza ocy. Przetworniki EH czci WP i SP, ustalaj cinienia sterujce dla siowników poruszajcych dwigni sprzenia zwrotnego serwootoru wykonawczego (por. Rys. 2). Serwootor napdza echaniz rozrzdu z wae krzywkowy. Napd odbierany jest z wau poprzez rolk uocowan na kocu dwigni podnoszcej zawór. Literatura ([8],[13],[16],[20]) oraz dowiadczenie i wiedza specjalistów pozwalaj wyróni podstawowe niesprawnoci i uszkodzenia. Uszkodzenia zwizane z przetwornikie elektrohydrauliczny: - nieliniowoci przetwornika (ziany punktu pracy), - zwarcie w uzwojeniach cewki, - ograniczenie ruchu rdzenia przez zanieczyszczenia, siownik rozdzielacz Rys. 2. Rysunek pogldowy serwootoru obrotowego wraz z eleentai wspópracujcyi: rozdzielacze oraz siownikie (strzaki pokazuj kierunek ruchu eleentów echanicznych) Uszkodzenia zaworów regulacyjnych zasilania turbiny par og by zwizane z drganiai zaworu na skutek przepywu i rozprania pary. Obudowa wraz eleentai skadajcyi si na zawór (Rys. 4) nagrzewaj si do wysokich teperatur oraz s poddawane naprenio udarowy. Moe to powodowa pkanie obudów lub wrzecion. Istnieje równie oliwo zatarcia wrzeciona w tulei (Rys. 3), prowadzca do unieruchoienia zaworu w pozycji otwartej. Pocztkowyi syptoai przycierania jest wzrost si tarcia zwikszajcych obcienie serwootoru. Przyczyn zatarcia og sta si. in. eleenty obce o rónych roziarach, które dostay si w poblie zaworu regulacyjnego na
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin skutek uszkodzenia filtru. Drobne eleenty obce, które dostay si w obszar grzybka og zaburza przepyw pary zieniajc geoetri szczeliny przepywowej. Rys. 4. Typowa budowa dolnej czci zaworu regulacyjnego z tulej uszczelniajc Rys. 3. Drgania obserwowane na zaworach regulacyjnych (na podstawie [20]) ( y, y, r - odpowiednio przypieszenie oraz prdko drga obudowy zaworu, zadane pooenie zaworu) Prawdopodobiestwo wystpienia niesprawnoci zwizanych z zatarciai i przytarciai zwiksza si w wyniku duszych postojów, podczas których dochodzi do wystudzenia aszyny i krystalizacji zanieczyszcze, szczególnie frakcji solnych. Miejsce osadzanie si soli s karby uszczelniajce wrzeciona poruszajcego si w tulei (Rys. 4). Karby skadaj si na ekspansyjne uszczelnienie labiryntowe przeciwdziaajce przecieko pary przez zawór. Syptoai nadiernych przytar jest nierównoierny bieg turbiny skutkujcy wahaniai ocy w zalenoci od pooenia zaworów. Cakowite zatarcie zaworu unieoliwia ruch serwootoru powodujc jego unieruchoienie. W niektórych konstrukcjach zaworów regulacyjnych grzybek jest ocowany na stosunkowo wski przedueniu wrzeciona. Zdarzay si sytuacje, w których dochodzio do pknicia poczenia i cakowitego oderwania si grzybka, który najczciej przytyka wylot dyszy zaworu. Niesprawnoci zwizane z przytarciai wystpuj równie na skutek zanieczyszcze oleju. Obecnie niesprawnoci te zostay praktycznie wyeliinowane poprzez zastosowanie ulepszonych filtrów olejowych oraz dobrej jakoci olejów. Zawory og wykazywa równie nadierne nieszczelnoci. Okresowo og równie wystpi ziany w sztywnoci spryn doykajcych zawór lub niewaciwe zakresy luzów i ustawie któw otwarcia zaworów w echanizie krzywkowy podnoszcy zawory, wyagajce okresowych korekcji w czasie reontów i przegldów eksploatacyjnych (o ile takie rozwizanie grupowej regulacji jest stosowane). Zdarza si równie wysprzglenie zaworu (Rys. 5) zwizane ze skokow zian obcienia serwootoru. Moliwe jest obluzowanie lub nawet wybicie gniazda zaworu na skutek udarowych si o znacznych wartociach. Wyienione niesprawnoci ujawniaj si najczciej podczas rutynowych reontów zwizanych z deontae podzespoów turbiny, konserwacj i ponowny ich ontae. Rys. 5. Typowy przykad zasprzglenia dwigni echanizu krzywkowego z wrzecione zaworu W starszych turbinach 1, o okresie eksploatacji powyej 30 lat, powierzchnie toczne krzywek nie 1 Np. Zaech TK50, Skoda K-50-90
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin zuyy si i s zdatne do dalszej eksploatacji. W raach dziaa konserwacyjnych wyaga si sarowania oraz przegldów oysk podpierajcych wa, na który osadzone s krzywki wspópracujce z dwigniai podnoszcyi zawory poprzez oyskowane tocznie rolki. W wikszoci przypadków, szczególnie w Polsce, nie onitoruje si przeieszcze zaworów lub jego drga, ze wzgldu na koszt dodatkowych przetworników. Poiary przeprowadza si przy poocy specjalizowanych urzdze poiarowych podczas okresowych przegldów i reontów. Wykonuje si wtedy równie charakterystyki statyczne potwierdzajce poprawne ustawienie któw podnoszenie zaworów na wale krzywkowy. Serwootor podnoszcy zawory jest jedny z najbardziej niezawodnych urzdze. Wykonywany jest jako obrotowy lub o ruchu prostoliniowy dwustronnego dziaania. Charakterystyczne ziany cinienia cieczy hydraulicznej w cylindrach serwootoru og sta si syptoai wielu niesprawnoci w ukadzie hydrauliczny, zaworach regulacyjnych oleju (rozdzielaczu) oraz w zaworach regulacyjnych pary do turbiny. Typowe testy diagnostyczne (Rys. 6) polegajce na wyznaczaniu charakterystyk statycznych eleentów wykonawczych i sterujcych s praktykowane przez zewntrzne firy reontowe. W wielu przypadkach sprawdza si w ten sposób ewentualne przytarcia, okrelajc stopie nierównoiernoci np. wysunicia trzpienia suwaka rozdzielczego, lub pooenie zaworów regulacyjnych. Stosuje si w ty celu elektroniczne czujniki poiarowe lub echaniczne zegarowe. Rys. 6. Charakterystyka statyczna cinienia pod tokie (P PT ) oraz nad tokie (P NT ) w funkcji przeieszczenia ktowego () wau serwootoru Podsuowujc przegld typowych niesprawnoci i uszkodze ukadów regulacji turbin parowych oliwe jest wyrónienie dwóch podstawowych syptoów diagnostycznych uoliwiajcych detekcj uszkodzenia (Rys. 7): - zian wartoci wasnych zwizanych z serwozawore lub przetwornikie EH (w zalenoci od tego czy jest to ukad laboratoryjny czy ukad regulacji obiektu przeysowego), - zian wartoci wasnych zwizanych z serwootore lub siownikie. Lokalizacja oraz ocena stopnia uszkodzenia jest oliwa np. poprzez porównywanie zian estyowanych paraetrów odeli lokalnych poidzy poszczególnyi punktai poiarowyi ukadu regulacji. paso serwozaworu paso siownika Rys. 7. Pogldowy wykres wskazuje na dwa podstawowe obszary czstotliwoci wasnych eleentów skadowych ukadu hydraulicznego [podczas linearyzacji zieniano w odelu ukadu laboratoryjnego bezwyiarowy wspóczynnik tuienia (ang. daping rate) suwaka serwozaworu: linia ciga d=0.1, linia kreskowa d=0.3, linia kreska-kropka d=0.9] Ze wzgldu na silne nieliniowoci oraz obecno ptli sprzenia zwrotnego wartoci wasne linearyzowanego odelu zawieraj si w do szerokich pasach podczas zian, np. wzocnie w ukadzie (odpowiada to ewentualny odelo przecieków). W dalszej czci artykuu poddano analizie ziany wartoci wasnych zwizanych siownikie/serwootore, które wykazuj silne ziany wartoci proporcjonalne do zian obcienia, a wiec np. przytarcia/zatarcia zaworów regulacyjnych, wysprzglenia zaworu. Nieliniowoci fizyczne i geoetryczne eleentów ukadu regulacji obiektu przeysowego/ukadu laboratoryjnego powoduj wzajene sprzenie ich wartoci wasnych, które zale od siebie wzajenie, jak równie zale od sygnau zadanego, tj. jego aplitudy, czstotliwoci oraz ksztatu jego przebiegu. Szczegóowe badania przeprowadzono w ty zakresie na ukadzie laboratoryjny dla kilkudziesiciu rónych kobinacji rodzajów sygnaów, ich aplitud oraz czstotliwoci. Wykres (Rys. 8) pokazuje wyniki identyfikacji paraetrów odelu RRX(2,1,1), z których wyznaczono nastpnie bieguny, a w dalszej kolejnoci wydzielono czci urojone biegunów. Wartoci wasne zale równie silnie od teperatury oleju oraz cinienia zasilania.
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin sygna stochastyczny sygna prostoktny sygna sinusoidalny Rys. 8. Przebiegi w czasie czci urojonych biegunów identyfikowanego rekursywnie odelu w postaci transitancji dla identycznej konfiguracji ukadu laboratoryjnego, podczas zian rodzaju sygnau zadanego (przeieszczenia toczyska siownika) oraz jego aplitudy 4. MODEL NLITYCZNY Mateatyczny odel ukadu regulacji obiektu przeysowego (uwzgldniajcy nieliniowoci) obejuje regulator echaniczny, serwootor z rozdzielacze i zaworai (por. Rys. 2), przetwornik elektrohydrauliczny. Model taki powinien suy do wycigania wniosków jakociowych oraz sugerowa potencjalne probley, które naley odelowa fizycznie z wykorzystanie ukadu laboratoryjnego oraz przy poocy ateatycznego odelu ukadu laboratoryjnego. Ograniczona uyteczno odelu ukadu regulacji obiektu przeysowego do wnioskowania ilociowego wynika z braku oliwoci przeprowadzenia poiarów wartoci wyaganych paraetrów na wybrany obiekcie przeysowy. Przy poocy odelu ateatycznego ukadu regulacji obiektu przeysowego oraz odelu ateatycznego ukadu laboratoryjnego badano wpyw uszkodze addytywnych oraz zian w wartociach paraetrów fizycznych i geoetrycznych tych odeli. 4.1. Przetwornik elektrohydrauliczny Przetwornik elektrohydrauliczny stosowany w ukadzie regulacji obiektu przeysowego jest dwustopniowy i zawiera odbiornik oraz wzacniacz hydrauliczny, zasilane odpowiednio oleje ipulsowy (sterujcy) oraz roboczy. Przyjto uproszczony odel przetwornika elektrohydraulicznego, skadajcy si z odelu ukadu elektrycznego cewki generujcej pole elektroagnetyczne i oddziaujcej na wrzeciono zaworu olejowego. Tego typu odel ateatyczny jest czsto przedstawiany w literaturze [16]. 4.2. Siownik Model przepywu wicy struie objtociowy cieczy przepywajcy przez dany przekrój (zwk) przewodu z cinienie, równania bilansu si cinienia oleju oraz reakcji spryny i obcienia wyraa si nastpujco (por. Rys. 2): s dv 4.3. Rozdzielacz s q sgn( p) dp F p k y 0 0 s V s s q v dys 2 p s s v f ( v ) s (2) W rozdzielaczu (Rys. 9) og by stosowane przekrycia ujene, zerowe lub dodatnie, okrelaj one wzajene pooenie krawdzi sterujcych suwaka i odpowiedniego kanau w tulei suwakowej. Rys. 9. Typowy scheat budowy rozdzielacza trzypooeniowego, czterodronego wraz z jego scheate [16]. Oznaczenia: 1) suwak sterujcy, 2) obudowa Przekrycia dodatnie charakteryzuj si znaczn stref nieczuoci. Zazwyczaj stosuje si rozdzielacze z przekryciai niezerowyi, które s trudne do uzyskania ze wzgldu na wyagana dokadno procesu technologicznego [16]. W rozpatrywany obiekcie przeysowy rozdzielacze posiaday przekrycia dodatnie. Przyjuje si odel burzliwego przepywu cieczy przez rozdzielacz, dla którego wspóczynnik oporów jest niezaleny od liczby Reynoldsa. Rozdzielacz jest zasilany ze róda o stay cinieniu p P. Równania przepywów poidzy wejciai i wyjciai rozdzielacza jest nastpujce:
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin oraz q q q q P T T P p p p p P T T P p p p p Ry 2 Ry 2 Ry 2 Ry 2 p P p p T p T p p p p p P T T P q qp qt, qp qp qp, (3) q qp qt qt qt qt sgn sgn sgn sgn p dla y y P d 0 p dla y y T d 0 p dla y y T d 0 p dla y y P d d d d d 0 0 0 0 0 (4) gdzie p, p s cinieniai oleju zasilajcego serwootor, zienne indeksowane w sposób zoony, np. qp oznaczaj dodatkowo drog przepywu poidzy portai P i rozdzielacza. 4.4. Serwootor Równania cinie oddziaujcych na tok serwootoru w przypadku rónej jego powierzchni s nastpujce: V 0 V 0 S y S ( g y ) dp dv dp p p p S v R R S p S dy p p S v R R q q v F f ( v ) (10) W przypadku serwootoru obrotowego zastosowanego w ukadzie regulacji obiektu przeysowego równania ulegaj nieznacznej odyfikacji ze wzgldu na przyjcie jako ziennych stanu kta oraz prdkoci obrotu wau serwootoru. Wzajene oddziaywanie toka i cieczy przy dodatkowy zaoeniu równoci obydwu stron powierzchni toka, jest odelowane jako V V 0 0 S R 2 dp S R ( ) 2 dp q q C C q q l l q q (11) V 0 V 0 S y dp S ( g y ) dp q q q q l l q q (5) Wzajene oddziaywanie toka i cieczy jest odelowane jako q C C, gdzie S R C (12) 2 Model strat cinienia przyjuje posta: p p Zq (6) w przypadku przepywu lainarnego lub posta p l p Wq (7) w przypadku przepywu turbulentnego. Wzajene oddziaywanie toka i cieczy jest odelowane jako 2 l Ostatecznie otrzyuje si: V 0 V0 C dp p p R R C( ) dp p p R R d I p S R p C q C q S R M f ( ) d (13) q S v, q S v (8) Dynaik ruchu toka opisuje równanie dv p S p S F f ( v ) (9) Ostatecznie otrzyujey cztery równania pierwszego rzdu przyjujc za zienne stanu p, p, v, y 4.5. Zawory wraz z echanize krzywkowy Model uoliwia syulacj sekwencyjnego otwierania zaworów, poprzez stopniowe doczanie kolejnych as, sztywnoci, tuie oraz si powodowanych przepywe pary do równania serwootoru. 5. DNI LORTORYJNE Poiary prowadzono na stanowisku laboratoryjny
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin Starajc si uwzgldni specyfik poiarów na obiekcie przeysowy, uwzgldniajc analogi do punktów poiarowych oraz rodzajów ierzonych sygnaów. Prowadzono poiary nastpujcych ziennych: - wielkoci zadanej (pooenia siownika), - przeieszczenia toczyska siownika (przetwornik firy LLUFF odel TL- 11-0250--K05 o wewntrznej czstotliwoci próbkowania f=1 [khz]), - siy na toczysku (przetwornik ZEPWN odel CL14, zakres do 20 [kn]) - cinienie zasilania (p P ) (przetwornik Danfoss odel MS 32-2415-108 z zakrese cinie 0-40 [MPa]), - cinienie wylotowe (p T ) (przetwornik Danfoss odel MS 32-2415-108 z zakrese cinie 0-2.5 [MPa]), - cinienie w koorze (p ) (przetwornik Danfoss odel MS 32-2415-108 z zakrese cinie 0-25 [MPa]), - cinienie w koorze (p ) (przetwornik Danfoss odel MS 32-2415-108 z zakrese cinie 0-25 [MPa]), Zadawano wysunicie toczyska siownika sygnae o przebiegu prostoktny i sinusoidalny (f 1 =1/2[Hz], f 2 =5[Hz], f 3 =10[Hz]), równie o ziennej czstotliwoci (od 0-17[Hz]) oraz przy poocy szerokopasowego szuu o rozkadzie noralny. Do zadawania pozycji toczyska suyo oprograowanie realizujce równie funkcje regulatora proporcjonalnego ze wzocnienie ustalony jako P=0.3. Poiary wykonywano dla nieobcionego toczyska siownika (asa toczyska =9.5 [kg], asa czujnika siy zaontowanego w linii toczyska f = 2 [kg]) oraz dla obcionego poprzez 3 ruchoe poosty (kady o asie p =12 [kg]) przeieszczajce si w pionowych prowadnicach z opcj oliwoci poczenia rubai z toczyskie. Dodatkowo toczysko oe zosta obcione specjalnyi asai (3 x =25 [kg] oraz =40 [kg] przykrcanyi do jednego z poostów przy poocy rub). Rys. 10. Scheat ukadu hydraulicznego Przeprowadzono seri eksperyentów laboratoryjnych i nuerycznych na odelu ateatyczny ukadu laboratoryjnego, podczas których zieniano obcienie toczyska siownika, rodzaj sygnau jego czstotliwo oraz aplitud. Dla prezentacji w artykule fragentu bada z wielu zarejestrowanych sygnaów na stanowisku laboratoryjny wybrano zbiór sygnaów, w który zastosowano takie sao wyuszenie sinusoidalne z pulsacj =1 [rad/s], o aplitudzie aksyalnej h=120 [], cinienie zasilania okoo p p =12 [MPa], regulator proporcjonalny P=0.3. Jako sygna wyjciowy wybierano ziany cinienia p lub przeieszczenie siownika. Zastosowano zienne obcienie przy niezienionych sygnaach zadawanych. Wyniki porównano z syulacj na podstawie odelu ateatycznego ukadu laboratoryjnego. Wyniki prezentuj wykresy ( Rys. 11, Rys. 12). Rys. 11. Seria spektograów uszeregowanych wedug wzrastajcego obcienia wykonana na podstawie sygnau cinienia p w koorze siownika
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin Rys. 12. Seria spektograów uszeregowanych wedug wzrastajcego obcienia wykonana na podstawie sygnau cinienia p w koorze siownika (odel nueryczny) Podczas identyfikacji paraetrycznej przyjto nastpujcy scheat (Rys. 13). Podanyi warunkai praktycznej realizowalnoci podejcia jest ograniczenie zoonoci obliczeniowej algorytów, dlatego ograniczono rozwaania do odeli RRX. Jako zakócenia/wejcia uszkodze addytywnych obiektu, ona wyieni teperatur T(t), cinienie zasilania p p (t) oraz zienne obcienie F(t). Warto siy F(t) oe by deterinowana, idzy innyi nieprawidowy dziaanie zaworów regulacyjnych, tak jak to oówiono w rozdziale 3. - paraetrycznych. Modele paraetryczne wykorzystuj najczciej operatorowy zapis dynaiki systeu w postaci transitancji (funkcji przejcia) lub równa stanu. Przyjto zapis obiektu w postaci torów wejwyj oraz zakóce-wyj ([4],[9],[10],[11],[12]). Oznacza to, e dla odeli wieloianowych zakócenia opisuje si jako sprowadzone na wyjcie obiektu: 1 1 y( i) G( z, i) u( i) H( z, i) e( i) (14) gdzie e(i) jest biay szue. Jeeli zakócenia oddziaujce na obiekt nie s odele biaego szuu, przyjuje si opis zoony w postaci filtru H(z -1,i) na którego wejciu jest biay szu. nalogicznie wyglda sytuacja w przypadku odelu nieparaetrycznego (np. estyator wida lackana-tukeya), który zapisujey nastpujco: y( i) G( j, i) u( i) ( j, i) e( i) (15) lub dla nieznanego wejcia w postaci niestacjonarnego odelu cigu czasowego: y( i) ( j, i) e( i) (16) Rys. 13. Identyfikacja paraetrów odelu na podstawie sygnaów v(t) oraz y(t) 6. METODY IDENTYFIKCJI Moliwe jest wyrónienie dwóch podstawowych grup odeli: - nieparaetrycznych, Podstawow zalet czstotliwociowych etod nieparaetrycznych jest brak koniecznoci zaoe co do struktury odelu oraz liniowoci obiektu. W wielu przypadkach jest ona traktowana jako wstpna analiza do poznania waciwoci obiektu i poprzedza identyfikacj paraetryczn. Niestacjonarne odele cigów czasowych estyowane s najczciej jako okienkowane. Sygna dzielony jest na wiele okienek
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin zawierajcych okrelon liczb próbek. Zakada si stacjonarno sygnaów w obrbie okienka. Modele niestacjonarne przedstawiane s w postaci wykresów kaskadowych lub spektograów o aplitudzie najczciej w skali logaryticznej. Dla odeli paraetrycznych identyfikowanych on-line stosowane s nastpujce podstawowe podejcia: (i) podejcia filtru Kalana, gdzie ziany wartoci paraetrów odelu o strukturze równa stanu odeluje si jako bdzenie losowe (ang. rando walk), (ii) podejcie oparte na wspóczynniku zapoinania okrelajcy stopie dyskontowania przeszych wartoci cigu czasowych wyjciowych i /lub wejciowych, (iii) podej opartych na etodach iteracyjnego poszukiwania iniu funkcji bdu, Stosowane s algoryty: (i) rekurencyjnej etody najniejszych kwadratów uoliwiajce uzyskanie rozwizania dokadnego i stosowalna wycznie do struktur R oraz RX, (ii) rekurencyjnej etody bdu predykcji RPEM oraz jej uproszonej wersji w postaci rekurencyjnej etody regresji pseudoliniowej RPLR 2 Podstawowy problee podczas identyfikacji jest oliwo zego uwarunkowania acierzy kowariancji w równaniach estyatora. W praktyce oznacza to ze uwarunkowanie nueryczne algorytów wyznaczania paraetrów. Przyczyn zego uwarunkowania acierzy kowariancji oe by: (i) (ii) wystpowanie sprzenia zwrotnego poidzy wejcie i wyjcie (nadierna korelacja poidzy eleentai acierzy). zbyt ay pobudzenie obiektu podczas identyfikacji, nadparaetryzacji (ang. overfitting), (iii) (iv) zbyt krótkiego okresu próbkowania, (v) nieodpowiedniej wartoci wspóczynnika zapoinania, lub zego uwarunkowania warunków pocztkowych w etodach iteracyjnych oraz filtracji Kalana. Wielokrotnie w praktycznych zastosowaniach zachodzi potrzeba identyfikacji obiektów objtych ptl sprzenia zwrotnego. Wpyw sprzenia zwrotnego oe ie dwojakie znaczenie [9]: (i) jakociowe, unieoliwiajc w szczególnych identyfikacj obiektu, przypadkach 2 Metoda zastosowana do estyacji paraetrów odelu RMX/RM nosi nazw ELS (ang. Extended Least Squares) (ii) ilociowe, prowadzce do bdów ocen paraetrów odelu. W literaturze uzasadnia si potrzeb identyfikacji obiektów ze sprzenie zwrotny (regulatore) w przypadkach, gdy ([15],[9]): (i) obiekty przeysowe nie og pracowa bez regulatora ze wzgldów bezpieczestwa, (ii) obiekty niestabilne wyagaj regulatora dla poprawnego (stabilnego) dziaania, (iii) wybrane obiekty przeysowe generuj due straty ekonoiczne na skutek odczenia regulatora na czas (iv) identyfikacji, wiele obiektów posiada sprzenia zwrotne poprzez eleenty wynikajce z ich budowy (stanowice integraln cz obiektu), Wszystkie wyienione przypadki zachodz dla ukadu regulacji turbiny, poniewa: - osignicie przez turbin zakresu prdkoci krytycznych i pozostawanie w zakresie takich obrotów przez duszy czas oe spowodowa jej uszkodzenie, - ziany w paraetrach regulatora turbiny i procesów poocniczych aj bezporedni wpyw na koszt wytwarzania energii i dostarczania pary do procesów przeysowych, - ukad hydrauliczny jest przykade dodatkowych sprze zwrotnych, np. poidzy ciecz i eleentai echanicznyi. Identyfikacja odelu obiektu G(z -1 ) oraz odelu zakóce H(z -1 ) jest oliwa etod bezporedni lub poredni. Metoda porednia wyaga znajooci sygnau zadanego [9]. Rozwizanie bardziej przydatny z punktu widzenia praktyki jest identyfikacja bezporednia, poijajca wpyw obecnoci ptli sprzenia zwrotnego [9]. 7. WYNIKI IDENTYFIKCJI NIEPRMETRYCZNEJ Z sygnaów uzyskanych na podstawie eksperyentu laboratoryjnego oraz syulacji nuerycznej z uycie ateatycznego odelu ukadu laboratoryjnego usunito sinusoidaln skadow sta, a nastpnie przedstawiono na serii spektograów z okne czstotliwociowy o rozdzielczoci w=256 punktów wedug wzrastajcego obcienia siownika (Rys. 11). Ziana (wzrost) obcienia widoczna jest jako zniejszenie si czstotliwoci drga wasnych siownika, w ty przypadku oscylacji cinienia w koorze siownika, co ona wykaza obserwujc wskopasowy szu na kolejnych spektograach od lewej (Rys. 11) najpierw w okolicach 120-140 [Hz], a nastpnie dalej 60-70 [Hz], 45-65 [Hz], 35-55 [Hz], koczc na 30-50
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin [Hz]. Czstotliwoci wasne s sabo widoczne i rozyte ze wzgldu na nieliniowy i stochastyczny charakter drga. Naley zwróci uwag na silnie uwydatnione czstotliwoci drga pop o haronicznych f=50,100 [Hz] oraz o czstotliwoci f25 [Hz], która to haroniczna ujawnia si przy obcieniu =96.5 [kg] oraz =176,5 [kg]. Szczegóy dotyczce analizy ta oraz redukcji wpywu zakóce stan si teate oddzielnej publikacji. Z punktu widzenia potrzeb identyfikacji wyagane jest odpowiednie pobudzenie obiektu ajce na celu zwikszenie stosunku sygna/szu. Przykad wzbudzania si ukadu podajcego za pozycj zadan o przebiegu sinusoidy o czstotliwoci =1 [rad/s] przedstawia wykres ( Rys. 14). Zwrot kierunku dziaania siownika objawia si wzbudzenie szerokiego pasa czstotliwoci wasnych. Drgania s silnie tuione a do kolejnej ziany kierunku ruchu siownika. zestawiono przykadowe wykresy cznie (Rys. 15). znaczce ziany pozycji wau serwootoru Rys. 15. Zestawienie przebiegów czasowych sygnaów w ukadzie regulacji obiektu przeysowego (góra, dó) oraz odelu nieparaetrycznego sygnau cinienia w cylindrze serwootoru (rodek) 8. WYNIKI IDENTYFIKCJI PRMETRYCZNEJ Podczas identyfikacji paraetrycznej estyowana wartoci paraetrów, a nastpnie wyznaczano na ich podstawie bieguny obserwujc te, które posiaday wartoci urojone. Przyjto, e obserwacji podlega odel o strukturze Rys. 14. Nieparaetryczny odel sygnau przeieszczenia siownika w dziedzinie czasu i czstotliwoci dla ukadu laboratoryjnego (góra), syulacji nuerycznej ateatycznego odelu ukadu laboratoryjnego (rodek) oraz sygnau zadanego przedstawionego w dziedzinie czasu (dó) Porównujc wyniki syulacji nuerycznej z dziaanie obiektu przeysowego przy poocy analizy czstotliwociowej (Rys. 15) zauwaa si, e w chwilach pracy ustalonej widoczny jest gównie szu, dopiero ziana pozycji serwootoru prowadzi do pojawienia si wyranych skadowych haronicznych. W celu lepszej widocznoci korelacji poidzy przebiegai czasowyi wielkoci fizycznych, np. cinienia oraz ich okienkowanyi odelai widowyi w dziedzinie czasu i czstotliwoci 1 1 1 y( z ) b0 b1 z... b z G( z ) (15) 1 1 u( z ) a a z... a 0 1 n n n nz Zastosowanie do identyfikacji odelu liniowego o staych paraetrach np. o strukturze RX jest nieskuteczne, poniewa wysunicie toczyska siownika zasilanego poprzez serwozawór wyaga zasilania cewki prde o nateniu od inialnego do aksyalnego tj. od 0% do 100% aplitudy. Podczas wysuwania toczyska zieniaj si paraetry geoetryczne serwootoru/siownika oraz przetwornika EH / serwozaworu powodujc, e równie charakterystyka czstotliwociowa zienia znaczco swoj posta. 8.1. Ukad laboratoryjny Przeprowadzono identyfikacj etod poredni odelu adaptacyjnego o strukturze RRX(3,2,1)
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin oraz wspóczynniku zapoinania =0.99, na podstawie danych z odelu laboratoryjnego oraz syulacji nuerycznej ateatycznego odelu ukadu regulacji. Wyniki przedstawiono na rysunkach (Rys. 16, Rys. 17, Rys. 18, Rys. 19). Przykadowe wykresy wskazuj na oliwo wykrywania zian powodowanych nieliniowociai odelu. Rys. 19. Wybrane rzeczywiste skadowe wartoci wasnych (ukad laboratoryjny) 8.2. Ukad regulacji obiektu przeysowego Rys. 16. Wybrane urojone skadowe wartoci wasnych (odel nueryczny ukadu laboratoryjnego) Rys. 17. Wybrane rzeczywiste skadowe wartoci wasnych (odel nueryczny ukadu laboratoryjnego) Istnieje oliwo zaoenia, e sygnay wejciowe i wyjciowe dla pewnego przedziau czasu s stacjonarne. Pozwala to na identyfikacj odelu RX o staych paraetrach. Cele takich dziaa jest uzyskanie ogólnej orientacji, co do zian zachodzcych w charakterystykach aplitudowo-fazowych. Na wykresie (Rys. 20) przedstawiono charakterystyki czstotliwociowe wykonane poidzy rónyi punktai poiarowyi w ukadzie regulacji obiektu przeysowego w oparciu o paraetry transitancji odelu RX(5,4,1), dla ustalonego i nieziennego otwarcia zaworów regulacyjnych czci wysokoprnej obiektu przeysowego. Przyjto oznaczenia: - linia ciga (prd sterujcy-cinienie sterujce siownik), - linia kreskowa (cinienie sterujce siownik- przeieszczenie serwootoru), - linia kropkowa (przeieszczenie serwootoru-oc turbiny). Rys. 18. Wybrane urojone skadowe wartoci wasnych (ukad laboratoryjny)
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin Rys. 22. ieguny zidentyfikowanej transitancji odelu rekurencyjnego na paszczynie zespolonej (obiekt przeysowy) Rys. 20. Charakterystyki aplitudowo-fazowe dla ustalonego otwarcia zaworów WP, poidzy eleentai ukadu regulacji Dla penych danych zawierajcych okres 600[s] stacjonarnego dziaania obiektu przeysowego zastosowano adaptacyjny odel RRX(5,4,1), wyniki przedstawiono na rysunkach (Rys. 21, Rys. 22) Dla celów projektu niezbdne okazao si wykonanie wielu serii poiarowych wraz z przeprowadzenie bardziej szczegóowych analiz, które zostan zaprezentowane w dalszych publikacjach. Istotny problee identyfikacji jest dobór odpowiedniej struktury odelu. Proble ten wyaga szczegóowych analiz teoretycznych opartych na linearyzowany odelu ateatyczny ukadu regulacji obiektu przeysowego oraz odelu ukadu laboratoryjnego. Rys. 21. Wybrane urojone skadowe biegunów w czasie zidentyfikowanej transitancji odelu rekurencyjnego (obiekt przeysowy) 9. PODSUMOWNIE W artykule przedstawiono typowe uszkodzenia wystpujce w eksploatacji ukadów regulacji turbin parowych. Zaprezentowano równie probley zwizane z odelowanie i identyfikacj ukadów regulacji turbin parowych oraz przykady odeli wybranych eleentów wykonawczych tych ukadów. Diagnostyka, analiza i identyfikacja ukadów regulacji s trudne, ze wzgldu na obecno ptli sprzenia zwrotnego, wielowyiarowo oraz czn wspóprace wielu regulatorów. Publikacja przedstawia przede wszystki wstpny etap bada zierzajcych do opracowania efektywnych etod diagnostyki eleentów wykonawczych ukadów regulacji bloków energetycznych. Docelowo zaproponowane zostan etody diagnostyki aktywnej. Zadanie tych sygnaów bdzie polepszenie uwarunkowania identyfikacji obiektów oraz uoliwienie lepszej wykrywalnoci uszkodze obiektów objtych ptl sprzenia zwrotnego. Wyniki bada na stanowisku laboratoryjny wskazuj pozytywnie na oliwo obserwacji podstawowych (przynajniej pierwszych haronicznych) postaci drga cieczy i toka w cylindrze serwootoru turbiny. Widoczny jest znaczcy wpyw asy podnoszonej przez siownik oraz wysunicia toczyska siownika. Wartoci czstotliwoci drga toka i cieczy ona wyznaczy z dokadnoci rzdu 20% stosujc odel teoretyczny stanowiska laboratoryjnego. Trudno na obecny etapie bada oszacowa, czy paraetry odelu identyfikowanego na podstawie danych poiarowych ze stanowiska laboratoryjnego jak i turbiny, s odpowiednio wraliwe na niesprawnoci. Wyaga to przeprowadzenia bada waciwych zorientowanych na niesprawnoci, np. wyuszenia udarowe, luzy, zatarcia itd. Ze wzgldu na konieczno wywoania uszkodze w kosztowych
DIGNOSTYK 28 RTYKUY GÓWNE RSZCZ, CZOP, UHL, Metody identyfikacji systeów w diagnostyce ukadów regulacji turbin eleentach wykonawczych, takich bada nie przeprowadzono. Naley zachowa ostrono w przypadku ukadów silnie nieliniowych z foruowanie uogólnionych konkluzji dotyczcych syptoów diagnostycznych, poniewa charakterystyka i aktualny stan (punkt pracy) kadego eleentu oe ie szczególne znaczenie dla globalnego niepowtarzalnego zachowania si ukadu. Patrzc perspektywicznie na nowoczesne paraetryczne i nieparaetryczne etody diagnostyki, naley uwzgldni obecne tendencje w autoatyzacji siowni energetycznych, a w szczególnoci: - redukcj personelu bezporednio zwizanego z ruche turbiny, - redukcj kadry inynierskiej i czenie koórek zajujcych si reontai, eksploatacj i nadzore techniczny, - zlecanie napraw i przegldów wyspecjalizowany firo zewntrzny, - instalacj oprograowania uoliwiajcego zdalne onitorowanie, diagnostyk bloków poprzez wyspecjalizowane centra zewntrzne, - zastosowanie duej liczby czujników i archiwizacj danych, utorzy wyraaj podzikowanie dla Koitetu ada Naukowych za finansowanie przedstawionych prac w raach projektu badawczego Nr 8 T07C 019 20. LITERTUR [1] arszcz T., Diagnostics of stea turbine control syste and possibilities of its future developent, Proceedings of MMR 2002, Szczecin. [2] arszcz T., Czop P., Uhl T.: Report on diagnostic odels of actuators eleents of turbine control syste. GH, rchiwu KRiDM, Krakow 2003. (opracowanie nie publikowane) [3] asseville M., Nikiforow, I. V.: Detection of abrupt changes: Theory and application, Inforation and Systes Science Series, Prentice Hall, New York, 1993. [4] Eykhoff P.: Identyfikacja w ukadach dynaicznych. Pastwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1980. [5] Korbicz J., Kocielny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W. (red.): Diagnostyka Procesów. Modele, Metody szucznej inteligencji, Zastosowania. WNT, 2002. [6] Korbicz J., Kocielny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W. (red.): Diagnostyka Procesów. Modele, Metody szucznej inteligencji, Zastosowania. WNT, 2002. [7] Kocielny J.M.: Diagnostyka zautoatyzowanych procesów przeysowych, Exit, Warszawa 2001 [8] Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie. WNT, 2000. [9] Ljung L.: Syste identification Theory for the User. Prentice-Hall, 1999. [10] Maczak K., Nahorski Z.: Koputerowa identyfikacja obiektów dynaicznych. iblioteka Naukowa Inyniera. Warszawa, 1983. [11] Niederliski., Kasprzyk J., Figwer J.: Multi-Edip analizator wielowyiarowych sygnaów i obiektów. Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 1997. [12] Niederliski., Mociski J., Ogonowski Z.: Regulacja adaptacyjna. Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 1995. [13] Nikiel T.: Turbiny parowe. WNT, 1980 [14] Patton R. J., Frank P. M., Clark R. N. (eds.): Issues of fault diagnosis for dynaic systes. Springer-Verlag, London, 2000. [15] Söderströ T., Stoica P.: Syste identification. Prentice-Hall International, Heel Hepstead, U.K. 1988. [16] Stryczek S.: Napd hydrostatyczny. To I i II, WNT, 1997. [17] Uhl T., Koputerowe wspoaganie identyfikacji odeli konstrukcji echanicznych, WNT, Warszawa, 1998. [18] ISE, Elektrohydrauliczny ukad regulacji turbiny, UNIMT-3M, 2000. [19] shley T., Johnson D., Miller R.W.: SPEEDTRONIC MRK V Gas Turbine Control Syste. GE Raport, GER-3658D. [20] Morel J.: Drgania aszyn i diagnostyka ich stanu technicznego. Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej, Warszawa 1994