DD146359B3

DD146359B3 - Verfahren zur bauteilueberwachung und prozesssteuerung in dampferzeugeranlagen

Info

Publication number: DD146359B3
Application number: DD21581879A
Authority: DD
Inventors: Juergen Grabig; Berthold Goehlert; Martin Jacob; Guenter Dietrich; Eberhard Pirner
Original assignee: Veag Vereinigte Energiewerke Ag
Priority date: 1979-09-26
Filing date: 1979-09-26
Publication date: 1992-07-30
Also published as: DD146359A1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bauteilüberwachung und Prozeßsteuerung in Dampferzeugeranlagen nach Kriterien des Lebensdauerverbrauches.

Es ist bekannt, daß zahlreiche Versuche unternommen wurden, die Lebensdauer, insbesondere von Turbinen und Rohrleitungsbauteilen, zu erfassen und zu überwachen (VGB Kraftwerkstechnik 3/77). Dabei wurde insbesondere der durch Langzeit-Temperatur-Beanspruchung hervorgerufenen „Zeitstandsermüdung" Aufmerksamkeit gewidmet (DE-OS 1698476, 2039334).

Zur Überwachung der Lebensdauervon Wärmekraftanlagen bzw. deren Komponenten ist es bekannt, auch bei instationären Zuständen Wärmespannungen zur berücksichtigen (DE-OS 2314954). Erfaßt werden jedoch nur stationäre Wärmespannungen, die direkt zu den Druckspannungen hinzugezählt werden, das stationäre Spannungsniveau erhöhen und die theoretische Zeitstandlebensdauer (elektrisch nur als äquivalente Betriebszeit darstellbar) gerinfügig verkürzen.

Tatsächliche instationäre Beanspruchungen und daraus ermittelte Lastwechsel können mit dieser Technologie nicht ermittelt werden (vgl. Formel Seite 7 und Zeitstanddiagramm).

Es hat auch Vorschläge gegeben, die Wechselermüdung von Bauteilen infolge Lastwechsel (Dehnungswechsel) zu erfassen (DD-OS 1958257). Auf Grund des komplizierten Auswertungsmechanismus bei der mathematischen Beschreibung des Ermüdungsvorganges und der angewendeten Technik konnten hier nur sehr vereinfachte Näherungen verwendet werden, die dann auch nur für ganz bestimmte Bauteile und/oder Beanspruchungsarten einsetzbar sind.

Allen diesen Anordnungen und Verfahren ist eigen, daß sie im Ergebnis nur einen direkten Lebensdauerwert (Restlebensdauer, Erschöpfungsgrad usw.) oder einen der Lebensdauer äquivalenten Wert (mittlere Betriebstemperatur) ermitteln und anzeigen (DE-PS 140093). Diese Werte werden in der Regel durch Klassifizierung von Betriebsparametern gewonnen, kontinuierlich aufsummiert und gespeichert und letztlich unabhängig vom Betriebsprozeß in festgelegten Zeitintervallen ausgegeben bzw. angezeigt.

Technologische Analysen des Betriebsregimes oder gar eine Prozeßrückkopplung zur Einhaltung einer optimalen und lebensdauerverbrauchenden Betriebsphasen sind deshalb ausgeschlossen.

Weiterhin ist aus zahlreichen Bauteil- und Werkstoffuntersuchungen bekannt, daß die Lebensdauer der Mehrzahl aller Bauteile in Kraftwerksanlagen sowohl durch Langzeit-Temperatur-Beanspruchung (Kriechen) als auch durch Dehnungswechsel (Lastwechsel) bestimmt wird, d. h., ein komplexer Schadensmechanismus wirkt.

Zur Erfassung dieses Mechanismus ist eine in bestimmten Zeitintervallen ständig zu wiederholende komplette Spannungs- und Lebensdauerberechnung aus den Betriebsmeßdaten und den jeweils zulässigen, temperaturabhängigen Werkstoffkennwerten (Zeitstandswerte und/oder zulässige Dehnungswechsel) durchzuführen. Voraussetzung dafür ist der Einsatzvon Prozeßrechentechnik. Dazu ist ein auf Mikrorechnerbasis aufgebautes System zur Lebensdauerüberwachung von Turbinenbauteilen bekanntgeworden (VGB Kraftwerkstechnik 3/77). Auch bei diesem Gerät wird noch nicht der Gesamtlebensdauerverbrauch aus beiden Beanspruchungsarten ermittelt, sondern bauteil- und beanspruchungsspezifisch entweder nur die Zeitstandsermüdungen oder nur die Wechselermüdung berechnet und auf getrennten Zählern gespeichert. Auf einem zugehörigen Blattschreiber kann auf Anwahl für die angeschlossenen Bauteile (Kanäle) ein entsprechendes Betriebsprotokoll ausgegeben werden, das spätere Analysen der gefahrenen Betriebsregime ermöglichen soll. Auch dieses Gerät gestattet keine operative Einflußnahme auf das jeweils gefahrene Betriebsregime oder gar eine prozeßabhängige (parameterabhängige) Steuerung zur beanspruchungs- und lebensdauergerechten Fahrweise, z.B. in Form einer

Anfahrüberwachung mit optischer Soll-Ist-Trend-Anzeige. Ursache dafür sind die prozeßunabhängig ablaufende Auswertung der Meßdaten und die analoge Registrierung der Lebensdauerwerte im Zählwerk oder weiterer Informationen über den Blattschreiber. Läuft der Blattschreiber infolge des zu hohen Papierverbrauches und der dann auch nicht mehr zu beherrschenden Informationsmenge nicht ständig mit, so ist infolge der subjektiv durchgeführten Protokollierung der Meßdaten sogar eine spätere Betriebsanalyse in Frage gestellt. Ein hoher Lebensdauerverbrauch ist dann entsprechenden Betriebsphasen und Betriebsparametern nicht mehr zuordenbar.

Ziel der Erflndung ist, eine Überlagerung der Anteile Zeitstandsermüdung und Wechsefermüdung für eine prozeßsteuernde Bauteilüberwachung vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das gleichzeitig und komplex folgende Funktionen erfüllt:

1. Kontinuierliche Lebensdauerermittlung (Restlebensdauer) kritischer Bauteile unter Berücksichtigung aller Ermüdungsmechanismen.

2. Operative Steuerung und Überwachung von Betriebsregimen zur Einhaltung bauteil- und lebensdaueroptimaler Fahrweisen.

3. Objektive Analyse von gefahrenen Betriebsregimen zur Einflußnahme auf konstruktive und technologische Veränderungen. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die kontinuierlich und zeitecht am Bauteil erfaßten signifikanten bekannten Meßwerte Innendruck P sowie Medientemperatur y, und die kontinuierlich sowie zeitecht am Bauteil weiterhin erfaßten signifikanten Meß- und Berechnungswerte Innenwandtemperatur y, und mittlere integrale Wandtemperatur V_m bzw. die Differenz y_m - y, = Ayzeitecht unter Verwendung eines Prozeß- oder Mikrorechners zu den Speicherdaten thermische Gesamtspannung O_therm, mechanische Gesamtspannung O_rnaeh und Gesamtspannung σ„„ verarbeitet und registriert sowie gleichzeitig durch eine Kontrolleinheit auf Trend und Absolutgröße überwacht werden und daß bei Überschreitung der im programmierten Festwertspeicher enthaltenen lebensdauerrelevanten Kriterien zulässige Temperatur, zulässiger Lebensdauerverbrauch ΔΙ„ zulässige Spannung O_2ul oder zulässige Dehnungsschwingbreite Δε bzw. Spannungsschwingbreite AoAusgangssignaIe erzeugt werden, durch die direkt eine Echtzeitprotokollierung der Prozeß- und Rechenwerte auf einem Drucker durchgeführt, durch ihre Sofortanzeige auf einem Bildschirm die Unzulässigkeit der lebensdauerrelevanten Kriterien signalisiert und/oder durch Soll-Wert-Veränderung die Prozeßsteuerung beeinflußt wird. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:

1. Stark lebensdauerverbrauchende Betriebszustände können ermittelt werden.

2. Eine sofortige operative Einflußnahme auf das Betriebsregime zur Einhaltung beanspruchungs- und lebensdaueroptimaler Fahrweisen ist möglich, z. B. im Rahmen einer Anfahrüberwachung.

3. Eine selbständige Prozeßsteuerung über Regeleinrichtungen ist realisierbar.

4. Durch die selbstätig in Betrieb gehende Aufzeichnung (Protokollierung) nur in den schädigungsrelevanten Zeiträumen entfällt die Aufzeichnung überflüssiger Informationen, und eine objektive Betriebsanalyse ist gesichert. Der Papierverbrauch ist auf ein Minimum reduziert.

5. Durch die getrennte, unabhängig von den Steuerungsprozessen ablaufende Bestimmung der Lebensdauerverbräuche (Erschöpfungsgrade usw.) ist ein Minimum an Langzeitspeichern notwendig.

6. Abhängig von den gefahrenen Einsatzweisen und Betriebsregimen können relativ genaue statistische Restlebensdaueranalysen durchgeführt werden.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt

Fig. 1: die schematische Anordnung der Meßdatenermittlung am zu überwachenden Bauteil, Fig. 2: das Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Für jedes zu überwachende Bauteil 1 werden vereinfacht z. B. Innenwandmetalltemperatur y,, die mittlere Wandtemperatur V_rn bzw. die Differenz y, - V_m = Δν und der Innendruck P verarbeitet (Fig. 1). Mittels Wandtemperatur-Sonden werden V_i und Ay gemessen und über das Meßwertfeld 2und Analog-Digital-Wandler 3auf die zentrale Verarbeitungseinheit 4und den Lese-und Schreibspeicher 16 mit Langzeitspeicherung (Operationsspeicher) aufgeschaltet. Der Druck P, abgegriffen mit Druckmeßumformern, kann abschnittsweise als konstant angesehen werden. Während der Abtastintervalle wird zeitecht die Spannung σ,., berechnet, die sich aus derthermischen Gesamtspannung O_trierm und der mechanischen Gesamtspannung O_mech zusammensetzt. Die thermische Beanspruchung ist im wesentlichen eine Funktion der Wandtemperaturdifferenz Δ/(τ), der mechanische Anteil wird hauptsächlich durch den Innendruck P bestimmt. Weitere Spannungskomponenten, wie z. B. bei Rohrleitungen Kompensationskräfte, Auflagerkräfte usw., sind zu berücksichtigen. Liegt z. B. die Wandtemperatur über 400⁰C, wird mittels des Lese-Speichers 5 die Bruchzeit τ_Β ermittelt und für das betreffende Zeitintervall die anteilige Zeitstandsermüdung ΔΙ, bestimmt und zur kumulativen Zeitstandsermüdung L, = L₁ + AI_lSummiert (Fig. 2). Die Schriftweite des im Lese-Speicher 5 (programmierter Festwertspeicher) abgespeicherten Zeitstandsdiagrammes richtet sich nach der Meßgenauigkeit der Innenwandtemperatur yv Übersteigt diese einen bestimmten Betrag als Toleranz K1 zur Berechnungstemperatur, werden über die Kontrolleinheit 6 und die Anschlußsteuereinheiten 7; 8 der Seriendrucker 9 und das Bildschirmgerät 10 angesteuert. Werden die Soll-Parameter über eine längere Zeit überschritten, so daß ein hoher Lebensdauerverbrauch ΔΙ₂ als Toleranz K2 entsteht, gibt die Kontrolleinheit 6 über die Echtzeituhr 15 gleichzeitig ein Steuersignal über den Digital-Analog-Wandler 11 zur Soll-Wert-Änderung bestimmter Regelgrößen (z.B. Einspritzwassermenge) ab.

Analog erzeugt die Kontrolleinheit 6 auch ein Steuersignal, wenn die Gesamtspannung σ„.. infolge unzulässig hoher mechanischer und/oder thermischer Beanspruchungen eine zulässige Spannung σ», um einen Grenzwert als Toleranz КЗ überschreitet bzw. die durch eine bestimmte Lastwechselzahl N_nil begrenzte Dehnungsschwingbreite Δε (Spannungsschwingbreite Δσ) als Toleranz K4 übersteigt. Die dafür erforderlichen Lastwechselkurven sind für die betreffenden Werkstoffe in geeigneter Form im Lese-Speicher 5 abgespeichert. Abhängig, ob die Steuersignale durch Überschreitung von K1 bzw. K2 oder КЗ bzw. K4 erzeugt wurden, werden die den Betriebszustand charakterisierenden unterschiedlichen Betriebsprotokolle (Analysenprotokolle) vom Seriendrucker 9 ausgegeben und das Bildschirmgerät 10 sowie weitere nicht dargestellte Warneinrichtungen angesteuert. Gleichzeitig wird der anteilige Lebensdauerverbrauch durch Wechselermüdung Al_w ermittelt und dem Wechselermüdungsgrad L_w = L_w + Al_w aufsummiert. Für durch beide Ermüdungsmechanismen beanspruchte Bauteile wird der Gesamtermüdungsgrad L_en = L_e + L_w abgespeichert.

Die Protokolle dienen zur Betriebsanalyse, Langzeitüberwachung kritischer Bauteile und technologischer und konstruktiver Veränderungen. Sie können gleichzeitig zur Restlebensdauerentwicklungsvorhersage mittels statistischer Verfahren verwendet werden. Neben der direkten Prozeßrückkopplung 13 über das Steuerwerk 12 oder mit Handsteuerung 14 zur Soll-Wert-Änderung bestimmter Regelgrößen dient das Bildschirmgerät 10 zur optischen Kennzeichnung von Prozeßführung und Beanspruchungsschwerpunkten. Das Bildschirmgerät 10 ist dabei im Rahmen einer Anfahrüberwachung zum Soll-Ist-TrendVergleich verwendbar. Auch ist das technologische Rohrleitungsschema damit abbildbar, wobei an den jeweiligen Meßstellen eine Signalisierung der Wandtemperatur und/oder der Gesamtspannung erfolgt. Die Realisierung des Verfahrens ist unter Verwendung eines Mikro- oder Prozeßrechners durchführbar. Die Anordnung ist ebenso für Turbinenbauteile als auch Rohrleitungsbauteile anwendbar. Sie eignet sich auch zur Nachrüstung in bereits in Betrieb befindlichen Anlagen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bauteilüberwachung und Prozeßsteuerung in Dampferzeugeranlagen nach Kriterien des Lebensdauerverbrauches, wobei die am Bauteil gewonnenen Meßwerte über einen Operationsspeicherund einen programmierten Festwertspeicher einer zentralen Verarbeitungseinheit zugeführt und die darin erzeugten Daten abgespeichert werden, gekennzeichnet dadurch, daß die kontinuierlich und zeitecht am Bauteil erfaßten, signifikanten bekannten Meßwerte Innendruck P sowie Medientemperatur y-, und die kontinuierlich sowie zeitecht am Bauteil weiterhin erfaßten signifikanten Meß- und Berechnungswerte Innenwandtemperatur Y₁ und mittlere integrale Wandtemperatur y_m bzw. die Differenz y_m - y, = Ayzeitecht unter Verwendung eines Prozeß- oder Mikrorechners zu den Speicherdaten thermische Gesamtspannung O_mech und Gesamtspannung O_gesVerarbeitet und registriert sowie gleichzeitig durch eine Kontrolleinheit auf Trend und Absolutgröße überwacht werden und daß bei Überschreitung der im programmierten Festwertspeicher enthaltenen lebensdauerrelevanten Kriterien zulässige Temperatur, zulässiger Lebensdauerverbrauch ΔΙ_Ζ, zulässige Spannung o_zu, oder zulässige Dehnungsschwingbreite Δε bzw. Spannungsschwingbreite Δσ Ausgangssignale erzeugt werden, durch die direkt eine Echtzeitprotokollierung der Prozeß- und Rechenwerte auf einem Drucker durchgeführt, durch ihre Sofortanzeige auf einem Bildschirm die Unzulässigkeit der lebensdauerrelevanten Kriterien signalisiert und/oder durch Soll-Wert-Veränderung die Prozeßsteuerung beeinflußt wird.
2. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß die Speicherdaten O_therm; O_mech; O_ges zu Lebensdauerverbräuchen L_E; L_w; L_ges unabhängig von den Ausgangssignalen summiert und gespeichert werden.