på långa, okopplade löpskovlar i För lågtrycksturbiner 4 ABB Tidning 5/1997

Transkript

1 Optisk vibrationsmätning under drift på långa, okopplade löpskovlar i lågtrycksturbiner Med kombikraftverkens ökade popularitet blir det allt vanligare med stora lågtrycksångturbiner. Kraven på denna turbintyp ökar ständigt, t ex kapacitet för större varvtalsvibrationer, frekventare starter och högre kondensortryck. Den del av lågtrycksturbinen som utsätts för störst mekanisk påkänning är skovlarna i slutsteget. Beräkning av statiska spänningar och egenfrekvenser i centrifugalkraftfältet är sedan länge konventionell teknik. De stokastiska exciteringskrafterna vid dellast och vid förhöjda kondensortryck måste fortfarande bestämmas experimentellt. Med optisk mätteknik för skovelvibrationer kan detta genomföras utan allvarliga störningar av den normala driften i ett kraftverk. De mätningar som genomförts bekräftar att ABBs okopplade slutstegsskovlar lämpar sig även för de strängare krav som ställs vid drift i kombikraftverk. P å ångturbiner ställs mycket höga tillgänglighetskrav. För lågtrycksturbiner krävs revisionsintervall på upp till timmar. I sammanhanget fokuseras uppmärksamheten på löpskovlarna, eftersom dessa, på grund av sin storlek, utsätts för mycket stora mekaniska påkänningar []. ABB tillämpar sedan över 30 år okopplade löpskovlar i lågtrycksturbinernas slutsteg. Dessa skovlar utgör vanligen precisionssmidda komponenter av stål legerat med % krom. Skovelfötterna är frästa till en julgransliknande profil för säker infästning i axeln. Den mekaniska konstruktionen måste vara mycket noggrant utförd eftersom skoveln utsätts för oerhörda statiska och dynamiska krafter. Skoveln måste garantera säker drift vid alla önskade arbetspunkter och under alla tänkbara drifttillstånd. Den statiska påkänningen i centrifugalkraftfältet under inverkan av ångkrafterna kan med dagens beräkningsmetoder bestämmas med tillräcklig noggrannhet även i det komplexa området kring skovelinfästningen. Vad beträffar den dynamiska konstruktionen är det obligatoriskt att undvika skovelresonanser med de nedre självsvängningsformerna där stora amplituder kan Edwin Krämer Eric Plan ABB Kraftwerke AG uppstå. Här uppvisar konstruktionen med okopplade skovlar en betydande fördel i jämförelse med kopplade skovlar, eftersom frekvensberäkningen blir mycket enklare med de enklare randvillkoren. De enda kontakt-randvillkor som måste beaktas ligger i skovelinfästningen, och dessa har underordnad betydelse i fall av långa skovlar. Även då konstruktionen är sådan att ingen resonans uppstår kan det vid vissa arbetspunkter uppstå dynamiska påkänningar som inte kan försummas. Detta gäller t ex vid: Passage av kritiska varvtal: I samband med start och stopp av en turbin går det inte att undvika passage av kritiska varvtal med därav följande förhöjda vibrationsamplituder. Förhöjt kondensortryck: Den därmed ökade ångtätheten förstorar de stokastiska exciteringskrafterna. Mycket små volymströmmar: Under dessa villkor kan det uppstå felaktig anströmning och avlösning, med förhöjda stokastiska exciteringskrafter som följd. Mycket höga volymströmmar: Om skovlarna inte är tillräckligt styva kan det uppstå fladdervibrationer. Skovlarna vibrerar vanligen mest vid grundfrekvensen. Drift vid varvtal över eller under det normala området: Risken för drift nära ett kritiskt varvtal ökar. Problemet uppstår typiskt vid matning av svaga elektriska nät. Arbetsvillkor som de ovan beskrivna har under senare år blivit allt vanligare. Kombikraftverk startas och stoppas oftare än konventionella ångkraftverk. Vid drift med torrkyltorn och värmeavtappning blir volymströmmen och kondensortrycket i lågtrycksturbinen starkt beroende av omgivningstemperaturen. För att få ökad förståelse för vibrationsegenskaperna i slutstegskovlarna och för att förbättra beräkningsprogrammen är det nödvändigt att mäta skovelvibrationerna under normal drift i kraftverk. 4 ABB Tidning 5/997

2 Principen för OSS bygger på mätning av skillnaden mellan den tid som spetsen av en vibrerande skovel behöver för att passera en definierad periferisektor, och den tid som spetsen på en icke vibrerande skovel behöver. Mätningen sker med hjälp av två optiska sonder som är monterade i turbinkapslingen, längs den aktuella löpskovelradens periferi. Givarna skickar en laserstråle mot skovelspetsarna. Det reflekterade ljuset från skovelspetsarna tas emot av sonderna och vidarebefordras via fiberoptiska ledare till en mottagare (fotomultiplikator). Det tidsmässiga avståndet mellan de reflekterade ljuspulserna är ett mått på skovelns vibration. Med hjälp av ytterligare en signalgivare (Keyphasor) genereras varvtalet och en referenssignal som gör det möjligt att sammankoppla mätsignalerna med enskilda skovlar. De uppmätta tidsskillnaderna lagras i utvärderingsdatorn, analyseras och redovisas. Metoden tillåter såväl övervakning under drift som datalagring för senare detaljanalys. Föremål för mätningen De nedan beskrivna optiska mätningarna av skovelvibrationer har genomförts i ett amerikanskt kombikraftverk. Ångturbinen är en enkelströmmigt genomströmmad hög- och mellantrycksturbin med enkelt skal samt en dubbelströmmig lågtrycksturbin av typ ND34 3. Märkeffekten för ångturbinen ligger på 34 MW. Slutstegskovlarna är ca 880 mm långa. Efter slutsteget leds ångan nedåt till en kondensor. För kylningen av vattenkretsloppet används ett våtkyltorn. I samband med mätserien har ångturbinen körts vid de mest skilda arbetspunkter, dock framför allt i dellast. Avgörande för påkänningen av slutsteget är volymströmmen och ångtätheten vid utloppet från skovlarna. Därför har mätpunkterna i 4 lagts in i ett m /C ax -raster. Skovlarnas egenfrekvenser under drift Som tidigare nämnts konstrueras slutstegens löpskovlar resonansfritt med av- Okopplade slutstegsskovel i lågtryckssteget till en stor ångturbin. Sådana skovlar kan vara upp till 00 mm långa. Funktionsprincipen för det optiska mätsystemet OSS för skovelvibrationer Optiska givare Signalbehandling Optiskt system för mätning av Laser skovelvibrationer ABB började redan på 70-talet utveckla ett Fotomultiplikator optiskt system för mätning av skovelvibrationer (OSS) []. Systemet har kontinuerligt Referensgivare Förstärkare OSS förbättrats under årens lopp [3]. Den optiska metoden för mätning av Digitalisering skovelvibrationer kännetecknas av följande fördelar: Inga givare behöver monteras på roterande komponenter Samtliga skovlar i ett steg kan mätas Högre känslighet i jämförelse med mät- Signal Signal Tidsförskjutning Utvärdering Visualisering Lagring ning med elektromagnetiska givare ABB Tidning 5/997 5

3 M M Genomskärning genom hälften av en tvåflödes lågtrycksturbin på vilken optiska skovelvibrationsmätningar har genomförts 3 Optisk givare med hållare Genomskärning genom hälften av lågtrycksturbinen M Mätnivå Uppmätta arbetspunkter för den lågtrycksturbin som visas i 3 4 m Massaström C ax Axialhastighet vid utlopp Grün Kondensortryck 40 kpa 0kPa 0 kpa 5 kpa m C ax seende på de lägre egenfrekvenserna. Vid nykonstruktion av en skoveluppsättning har hittills egenfrekvenserna för enskilda skovlar mätts med hjälp av töjningsgivare och telemetrisk signalöverföring i en balanserings-testrigg. Samtidigt har en överföringsfunktion tagits fram för mätning i testrigg med stående våg, ett mätmoment som är obligatoriskt för varje okopplad skovel. Denna metod har utnyttjats i flera år, och kravet har varit att skovlarnas egenfrekvenser måste ligga utanför ett spärrområde som är fastställt med breda marginaler. Om marginalerna skulle utnyttjas, t ex för att öka varvtalsområdet, kan de enskilda skovlarnas frekvenser mätas direkt under drift på ett komplett skovelsteg. 6 ABB Tidning 5/997

4 3530 min min min min min min - A f Uppmätt frekvensspektrum för en slutstegsskovel vid lätt varierande varvtal 5 A Amplitud f Frekvens Dessutom kan överföringsfunktionen från testriggen för stående våg förbättras genom mätningar under drift, så att säkerhetsmarginalerna kan fastställas med större noggrannhet. Den tidssignal som erhållits vid mätningen av skovelvibrationer överförs till frekvensrummet via en Fourier-transform, och skovlarnas egenfrekvenser blir urskiljbara som signaltoppar. Genom sekundär avkänning med bara två givare omfattas alla egenfrekvenser i halva driftvarvtalsområdet. Utgående från den generella kunskapen om egenfrekvensernas ungefärliga värde är en utvärdering teoretiskt möjlig. Om signaltopparna emellertid ligger tätt intill varandra i det sammanpressade frekvensspektrumet eller om exciteringskrafterna är för små för att ge upphov till signaler som framträder ur bakgrundsbruset, är det i stället lämpligare att analysera signalerna vid något varierande varvtal. På grund av det olika antalet utbredningar för de olika egenfrekvenserna skiljer sig deras lägen i det sammanpressade frekvensspektrumet kraftigt, något som underlättar justering 5. Med hjälp av denna metod var det möjligt att entydigt identifiera de första fem betingade spridningen av inspänningsförhållandena i testriggen för stående våg. egenfrekvenserna för varje skovel. 6 visar Under alla omständigheter är spridningen fördelningen av de båda första egenfrekvenserna. En jämförelse med mätningen i testriggen för stående våg visar att spridningen av skovelfrekvenser under drift är betydligt mindre 7. Därav kan vi sluta oss till att de centrifugalkrafter som uppstår under drift minskar den tillverkningstillräckligt liten för att fullständigt täckas in i det idag tillämpade spärrområdet. Den höga kvaliteten i den optiska mättekniken framgår av 8. Vid små volymströmmar blir det ventilation (återcirkulation) i slutstegsområdet, varvid skoveltemperaturen stiger. Det är lätt att känna igen Lägen för de två första skovelegenfrekvenserna vid driftvarvtal 6 f Frekvens N Skovelspår 0 Hz 95 f f f 0 N ABB Tidning 5/997 7

5 skovelfrekvenserna som varierar på mot- 6 svarande sätt på grund av elasticitets- Hz 4 I II modulens temperaturberoende. Vid den beskrivna mätningen uppskattades frekvensupplösningen till 0, Hz. f S 0 4 Maximal spridning för skovelegenfrekvenserna i testriggen för stående våg samt under drift f S Maximal frekvensspridning Streckat Testrigg för stående våg I, II Första och andra egenfrekvensen Grön, röd Drift Uppmätt lastberoende för skovelegenfrekvenser f Frekvens (sammanpressat)... 5 Första till femte egenfrekvensen t Tid Rot Av generatorn avgiven effekt 7 8 Skovelvibrationer vid passage av kritiska varvtal Okopplade skovlar uppvisar flera fördelar i jämförelse med kopplade skovlar. Förutsättningen är emellertid att konstruktionen som helhet inte förstärker enskilda egenfrekvenser. Eftersom okopplade skovlar inte har några kraftiga dämpningsmekanismer, kan redan exciteringskrafter i storleksordningen % av de statiska krafterna ge upphov till höga svängningsamplituder vid passage av kritiska varvtal. Vid utvärderingen av mätningar på flera start- och stoppförlopp överlagrades de fem första egenfrekvensernas andelar på varandra så att den maximala dynamiska spänningen i skovelbladet kunde visas. Det visade sig att den maximala dynamiska påkänningen vid passage av det kritiska varvtalet bara var 3 gånger högre än den allmänna brusnivån 9 (vänstra delen). Såväl acceleration som utrullning av turbinen skedde därvid med normala hastighetsgradienter. Hz 3 Skovelvibrationer vid förhöjt mottryck För praktiskt taget alla långa slutstegss- 5 kovlar, oberoende av om de är kopplade eller okopplade, begränsas driftområdet uppåt av kondensortrycket. Skälet till detta är de ökande exciteringskrafter som f 4 är följden av ångans större täthet och de därmed ofta förbundna små volymströmmarna med ventilation i slutstegsområdet. För att klart avgränsa det maximala driftområdet för dessa lågtrycksturbiner har turbinen provkörts vid många arbets- t punkter karakteriserade av dellast och förhöjt kondensortryck. 8 ABB Tidning 5/997

6 Referenser [] Gyarmathy, G.; Schlachter, W.: On the design limits of steam turbine last stages. Internat. Conf. on Technology of Turbine Plant Operating with Wet Steam, 988. [] Roth, H.: Vibration measurements on σ p cond = 30 kpa p cond = 0 kpa min / m/s n C ax turbomachine rotor blades with optical probes. Joint Fluids Engineering Gas Turbine Conference, New Orleans, 980. [3] Bloemers, D.; Heinen, M.; Krämer, E.; Wüthrich, C.: Optische Überwachung von Turbinenschaufelschwingungen im Betrieb. SIRM-Tagung 995, Kaiserslautern. Uppmätt dynamisk belastning på en slutstegsskovel 9 σ Dynamisk belastning C ax Axiell hastighet vid utlopp n Varvtal p cond Kondensortryck Mätresultaten sammanfattas av (högra delen): 9 vid start som stopp, har bekräftat att okopplade skovlar är ett fullt godtagbart Vid bra vakuum (p cond < 0 kpa) är skovelvibrationerna, såväl vid mycket stora som vid mycket små axialhastigheter, försumbart små. Vid medelhögt vakuum (0 kpa < p cond < 30 kpa) krävs för kontinuerlig drift att en minsta axiell hastighet säkerställs, dvs att drift vid förhöjt kondensortryck utan problem är möjligt under förutsättning av god genomströmning i slutsteget. Vid dåligt vakuum (p cond > 30 kpa) rekommenderas alternativ för de förhöjda krav som ställs på lågtrycksturbiner i kombikraftverk. Om en viss minsta axiell ånghastighet inte underskrids och en god genomströmning av slutsteget följaktligen är säkerställd, kan dessa skovlar drivas till ett vakuum på 30 kpa. Tack vare skovlarnas styva konstruktion tillåts drift vid massaströmtätheter klart över 0 kg/sm. Fördelen för kraftbolaget ligger i huvudsak i den högre tillgänglighet som är följden av den höga driftflexibiliteten. inte kontinuerlig drift. De experimentellt fastställda maximala spänningsamplituderna ligger visserligen fortfarande långt under hållfasthetsvärdena för kontinuerlig vibration av skovelmaterialet, men de bör av brottsmekaniska skäl undvikas vid ogynnsamma randvillkor. Målet högre tillgänglighet Omfattande mätningar vid olika arbetspunkter och olika kondensortryck, såväl Författarnas adress Edwin Krämer Eric Plan ABB Kraftwerke AG CH-540 Baden Fax: +4 (0) edwin.kraemer@chkra.mail.abb.com ABB Tidning 5/997 9