Fehleranalyse und Verbesserung von Wärmewiderständen zur Temperaturmessung der Lagerschalen in großen Wasserkraftanlagen

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Die Turbinenblöcke 1–4 des Staudamms Liujiaxia sind hängende Turbinen-Generatoren. Drei Arten von Lagern – Drucklager, Oberrichtungslager und Wassertreiblager – tragen die axialen und radialen Kräfte während des Betriebs der Anlage. Die Temperatur der Lager ist ein wichtiger Indikator für den Betriebszustand der Anlage. Die Temperatur der Lager wird in das Schutzsystem der Anlage eingebunden; bei zu hoher Temperatur wird ein Alarm ausgelöst oder die Anlage wird abgeschaltet. Ihre Bedeutung liegt auf der Hand. Doch während des Betriebs der Anlage, insbesondere während der Hochwassersaison, wenn die großen Generatoren über längere Zeit hinweg in Betrieb sind, treten bei den Temperaturmessungen mit den Pt100-Wärmewiderständen verschiedene Probleme auf – wie Fehlmessungen, plötzliche Änderungen der Werte sowie das Fehlen von Messwerten. Es ist daher schwierig zu erkennen, ob es sich um Probleme an der Anlage selbst handelt oder um Probleme mit den Temperaturmess-Wärmewiderständen. Dies stellt eine Bedrohung für den sicheren Betrieb der Anlage dar. Wärmewiderstände: yunrun.com.cn/product/list_80.html
1. Einführung in das Temperaturmesssystem für Wasserkraftanlagen
In der Industrie gibt es zwei Methoden zur Temperaturmessung: Thermoelemente und Wärmewiderstände. Wärmewiderstände basieren auf dem thermischen Effekt des Widerstands zur Temperaturmessung, d.h. der Eigenschaft, dass der Widerstandswert eines Widerstandskörpers mit der Temperatur variiert. Daher kann die Temperatur gemessen werden, indem man nur die Änderung des Widerstandswerts der temperaturempfindlichen Platinwiderstände misst. Die am weitesten verbreiteten Materialien für metallische Widerstände sind Platin und Kupfer. Die gebräuchlichen Kennzahlen sind Pt100 und Cu50. Für die Temperaturmessung der Lager der Maschinen im Staudamm Liujiaxia wird eine Pt100-Thermorezystenz verwendet. Der Pt100-Wärmewiderstand wird vor Ort in der Produktion installiert und befindet sich in einiger Entfernung vom Steuerpult. Die Signale des Widerstands werden über Leitungen an das Erfassungsmodul des Computers übertragen. Übliche Leitungsanordnungen für Wärmewiderstände: Zweileiter-, Dreileiter- und Vierleitersysteme. Da bei der Liujiaxia-Wasserkraftanlage bei Überschreiten der zulässigen Temperatur der Lagerschalen der Anlagenteile sofort Signale gesendet und der Betrieb gestoppt wird, sind hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Temperaturmessung erforderlich. Um den Einfluss von Ungleichheiten im Widerstand der Kabel auf die Messergebnisse auf ein Minimum zu reduzieren, wird zur Messung der Temperatur der Lagerschalen ein dreipoliger Pt100-Thermowiderstand verwendet. 2. Bestehende Probleme: Aus den Statistiken (siehe Tabelle 1) geht hervor, dass bei der Nutzung der Pt100-Wärmewiderstände vor allem folgende Probleme auftreten: Die Messwerte wechseln häufig ； Die Temperaturmessschaltung ist kurzgeschlossen, der Widerstand beträgt 0 Ω ； Die Temperaturmessspule ist unterbrochen, der Widerstand beträgt∞ ； Probleme wie große Abweichungen zwischen angezeigten Werten und tatsächlich gemessenen Werten. Tabelle 1: Statistik der Defekte im Temperaturmesssystem von April bis November
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3. Analyse der Ursachen für die Störungen
① Lange Betriebsdauer sowie schwierige Wartung: Die Temperatursensoren sowie die Widerstände der Führungslager befinden sich an Orten mit begrenztem Platz, wodurch eine Wartung oder Ersetzung schwierig ist. Während des Betriebs sind die Sensoren sowie einige Leitungen ständig in Öl mit hoher Temperatur getaucht. Zudem müssen sie den Druck des Ölflusses sowie die Vibrationen des Aggregats aushalten. Dadurch kommt es zu erheblichen mechanischen Schäden. Da die Temperaturmesselemente an der Lagerposition in der Regel nur bei der Wartungsklasse A und beim Demontieren der Anlage zur Überprüfung und Wartung zugänglich sind. Im Normalfall ist bei der Behandlung defekter Komponenten eine planmäßige Stilllegung der Anlage erforderlich, wobei eine Entleerung des Öls, das Entfernen des Federöltanks sowie weitere Arbeiten durchgeführt werden müssen. Die Stilllegungszeit ist lang und die Aufgabe schwierig. Daher können bei normaler Betriebsweise Probleme wie Sprünge oder Unterbrechungen in der Temperaturmessresistenz in der Regel nicht rechtzeitig behoben werden; es ist notwendig, den betroffenen Bereich vorübergehend aus dem Betrieb zu nehmen. Die Temperatur der Lager gehört zu den wichtigen Parametern beim Betrieb der Anlage. Wenn über einen längeren Zeitraum keine Daten zur Temperatur der Lagerpunkte vorliegen, können die Bediener die Betriebsbedingungen der Anlage nicht rechtzeitig und genau beurteilen. Dies gefährdet die sichere und stabile Funktionsfähigkeit der Anlage. ②Probleme am Temperaturmesswiderstand selbst: a) Am Befestigungspunkt des Elements fehlen Federn. Da das Temperaturmesselement, das an der Welle angebracht ist, während des Betriebs ständigen Vibrationen ausgesetzt ist, können die fehlenden Federn an dem Befestigungspunkt die Auswirkungen dieser Vibrationen auf das Element nicht abfedern. b. Die Temperaturmessleitungen sind außen nicht geschützt. Sie weisen nur eine mäßige Öl- und Korrosionsbeständigkeit sowie eine geringe Wärmebeständigkeit auf ； Bei längerem Aufenthalt in einer ölgetränkten Umgebung kann es zu Verhärtung, Brüchigkeit sowie Rissen in der Außenhülle kommen, was die Lebensdauer verkürzt ； Langfristige Vibrationen können dazu führen, dass die Leitung an der Wurzel des Sensors abreißt (siehe Abbildung 1, Abbildung 2). Bei der Vor-Ort-Prüfung stellte sich heraus, dass Fehler durch abgebrochene Leitungen an den Wurzeln fast 50 Prozent der Gesamtzahl der Fehler bei den Temperaturwiderständen ausmachten. Abbildung 1: Unterbrechung der Verbindung am Ansatzpunkt des Sensors. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312155342368.png
Abbildung 2: Unterbrechung der Verbindung am Ansatzpunkt des Sensors. ③ Probleme bei der Installation des Temperaturmesswiderstands: a) Probleme bei der Verbindung der Leitungen. Die kurzen Leitungen des Temperaturmesswiderstands führen dazu, dass es im Ölfach viele Verbindungsstellen gibt. Jede dieser Verbindungsstellen muss verschweißt werden. Aufgrund der beengten Räumverhältnisse im Ölfach ist das Schweißen schwierig – es können daher Probleme wie unvollständige oder fehlende Verbindungen auftreten. Dadurch kann es während des Betriebs zu Unterbrechungen in den Verbindungsstellen kommen, bedingt durch Vibrationen und den Ölfluss. Zum Beispiel wird bei der Anlage Nr. 4 des Liujiaxia-Wasserkraftwerks zur Verbindung der Schubkräfte sowie der Temperaturmesswiderstände im oberen Ölkanal eine Schraubenverbindung verwendet. Die Leitungen der Temperaturmesselemente werden zusammen mit den Kabeln der Temperaturmessung mithilfe von Muttern auf einer Epoxidplatte befestigt, um eine effektive Verbindung zu erreichen. Doch bei der Wartung der Anlage stellte sich heraus, dass die Anschlussterminals der Übergangsepoxyplatten leicht locker werden und oxidieren können. Dadurch entstehen schlechte Kontakte, was wiederum zu Schwankungen der Temperaturwerte führt. b. Die Verkabelung im Öltank ist nicht ordnungsgemäß; zur Befestigung und Bindung der Leitungen werden Kunststoffbänder verwendet, was dazu führen kann, dass die Außenhülle der Leitungen beschädigt wird. Das Material der Befestigungsclips im Ölbehälter besteht aus dünnem Eisenblech, dessen Kanten scharf sind. Wenn die Isolierschicht um die Leitungen nicht vorhanden ist, können diese leicht durch die scharfen Kanten beschädigt werden, was zu Sicherheitsrisiken führt. Bei einigen Verkabelungen ist die Befestigung im Öltank nicht ausreichend sicher. Während der Betriebszeit des Aggregats führen Ölströmungen und Wellen dazu, dass die Temperaturmessleitungen an den Anschlüssen reißen – wie in Abbildung 3 dargestellt. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312159048363.png Abbildung 3: Die Temperaturmessleitungen sind abgenutzt. c) Der Temperaturwiderstand sowie die Leitungen sind nicht richtig abgeschirmt. Da die verwendeten Leitungen für den Temperaturwiderstand recht dünn sind, ist die Abschirmung schwach. Beim Anschluss werden die Außenschirme des Temperaturwiderstands und des Temperaturkabels nicht richtig miteinander verbunden. Das starke elektrische Feld, das beim Betrieb des Generators entsteht – insbesondere das starke Magnetfeld durch Leckströme – stört den Temperaturmesskreis erheblich. Dadurch kommt es zu Schwankungen der Temperatur. 4. Verbesserungsmaßnahmen ① Verbesserung der Temperaturmesswiderstände: Die Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. hat bei der Herstellung von Platinwiderständen für Dampfturbinen ausländische Technologien übernommen und integriert. Bei der Verbesserung dieser Temperaturmessplatinwiderstände erhielt das Unternehmen Unterstützung sowie technische Ratschläge von Changhui Instrument. An den Stellen, an denen die neuen Pt100-Wärmewiderstände befestigt werden, wurden spezielle Federn eingebaut, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Dadurch wird die Auswirkung der Vibrationen auf die Temperaturmesskomponenten verringert ； Für die Temperaturmessleitungen sollte ein Isoliermaterial mit hervorragenden Eigenschaften in Bezug auf Ölbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit gewählt werden, um die Lebensdauer der Leitungen zu verlängern ； Verwenden Sie Temperaturmessleitungen mit einer dichten, netzartigen Abschirmung, um die Störungen durch starke Magnetfelder am Temperaturmesselement zu verringern. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312204195095.png Abbildung 4: An der Verbindungsstelle zwischen Leiter und Temperaturwiderstand werden spezielle Federn eingebaut. Zur zusätzlichen Schutzfunktion werden in dieser Stelle Dämpfungsröhren sowie umhüllte Drähte verwendet, wie in Abbildung 5 dargestellt. Besonderes Augenmerk sollte hier auf der Schutzmethode durch Verlängerung des Umhüllungsdrähtes gelegt werden. Der Umhüllungsdraht im Inneren des Sensors wird dabei bis nach außen verlängert. Dadurch ist der gesamte Teil des Kabels, der dem Ölstrom ausgesetzt ist, mit diesem Umhüllungsdraht bedeckt. Tatsächlich handelt es sich bei dem Umhüllungsdraht um eine aus Edelstahl gefertigte Schutzschicht, die sich beliebig biegen lässt. Sie weist hervorragende Eigenschaften gegen Korrosion, Stöße und Vibrationen auf. Auf diese Weise kann das Problem der Korrosion sowie von Stößen am Kabel vollständig gelöst werden. Längere Lebensdauer, zuverlässigere Leistung. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312208026363.png Abbildung 5: Erweiterte Schutzmaßnahmen ② Regelmäßige Installation sowie Verkabelung der Temperaturmesswiderstände. a) Der Ölfluss ist sehr schnell – dadurch entstehen starke Kräfte auf die Verbindungsstellen zwischen dem Temperaturmesswiderstand und den Leitungen. Bei der Installation sollte man versuchen, die Leitungen in Richtung des Ölflusses zu verlegen, um so die Belastung der Leitungen an der Stelle zu verringern, wo sie mit dem Temperaturmesswiderstand verbunden sind. b. Die Leitungen der Temperaturmessung mit Pt100-Wärmewiderständen verlaufen im Öltank. Alle 500 mm werden sie mit weißen Bändern fixiert. Anschließend wird eine speziell hergestellte Isolierschicht auf die Stellen aufgetragen, an denen die weißen Bänder angebracht sind. Dadurch werden die Leitungen miteinander verbunden und es wird der Einfluss des Ölstroms verringert. c) Die Leitungen der Temperaturmessresistoren werden entlang des Lagerträgers zu einem Bündel zusammengefasst. Das Kabelbündel wird anschließend mit Kabelhaltern an der Wand des Ölfachs oder am Träger befestigt. Es werden Kabelhalter verwendet, die mit ölbeständigem Gummi umhüllt sind, um zu verhindern, dass die Außenhülle der Kabel beschädigt wird, und damit ein mechanischer Schaden an den Kabeln im Öltank vermieden wird. Wenn die Kabelhalterung groß ist, sollte man das Kabelbündel zunächst mit einem weißen Tuch umwickeln und anschließend mit der Kabelhalterung fixieren. ③Verbesserung der Auslassvorrichtung für den Öltank: Durch die Verwendung einer speziell angefertigten Auslassvorrichtung für den Öltank, wie in Abbildung 6 dargestellt, werden Probleme wie Ölverlust beim Austritt der Leitungen aus dem Öltank sowie Schwierigkeiten bei der Installation beseitigt. Sowohl die Grundplatte des Ölkanal-Ausgangsgeräts als auch die Öltrennverschlüsse bestehen aus 304-Edelstahl, was eine Verformung während der Wartung und Demontage der Anlage verhindert. Auf der Stahlplatte sind mehrere durchlässige Leiteröffnungen angeordnet. Nachdem die Leiterdraht darin verlegt wurden, wird der Ölverschluss fest angezogen. Der Dichtstreifen im Inneren des Verschlusses passt sich perfekt an die Außenhülle des Leiterdrahts an, wodurch ein Austreten des Drucköls durch die Leiteröffnungen während des Betriebs der Anlage verhindert wird. Mit diesem Gerät müssen die Leitungen nicht einzeln verschweißt oder über Schrauben verbunden werden, sondern führen direkt aus dem Ölbehälter zu den Anschlusskästen an der Außenwand des Ölfasses. Durch die Reduzierung der Zwischenschaltstellen weist es Vorteile wie eine einfache Verarbeitung und einen hohen Schutzgrad auf. Derzeit wurden bei den Kraftwerksblöcken 1–4 des Liujiaxia-Wasserkraftwerks alle Ölleitungen ausgetauscht. Während des Betriebs sind keine Öllecks aufgetreten. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312210257899.png Abbildung 6: Ausgangsanlage des Öltanks. ④ Wichtige Überwachungspunkte sind mit Redundanz ausgestattet. Da es während des normalen Betriebs der Anlage sehr schwierig ist, einen beschädigten Temperaturmesssensor zu ersetzen, sollte man zur Steigerung der Betriebssicherheit an wichtigen Stellen wie den Antriebs- und Führungslagern möglichst Doppeltemperaturmessresistoren verwenden. Das bedeutet, dass innerhalb derselben äußeren Isolienschicht zwei Wärmewiderstände mit dem gleichen Präzisionsgrad angeordnet werden, um die Temperatur an derselben Stelle zu messen. Die Anschlussleitungen des Temperaturmesselements sollten im Sechsfad-System verwendet werden, um den Einfluss von Ungleichgewichten in der Leitwiderstand auf die Messergebnisse zu vermeiden. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312213255292.png Abbildung 7: Schematische Darstellung der Struktur eines Doppelarm-Widerstands zur Temperaturmessung. Mit einem Doppelarm-Widerstand können an derselben Stelle zwei Messpunkte erzeugt werden. Die Leitungen beider Messpunkte führen zu den Anschlusskästen an der Außenwand des Ölfasses. Normalerweise ist eine in Betrieb, die andere als Ersatz. Wenn ein Bauteil ausfällt, reicht es aus, den externen Kabel an der Terminalbox mit dem Ersatzbauteil zu verbinden – dadurch werden die Risiken vermieden, die durch den Ausfall eines einzelnen Widerstands entstehen könnten, da dieser dann nicht ersetzt werden kann. Dieser Artikel analysiert die Ursachen für Probleme wie Unterbrechungen in der Leitung des Temperaturmesswiderstands in Wasserkraftwerken sowie für plötzliche Erreichen von Maximalwerten bei den Messungen. Zudem werden folgende Verbesserungsmassnahmen vorgeschlagen: ① Verbesserung des Temperaturmesswiderstands. ②Regeln für die Installation und Verkabelung von Temperaturmesswiderständen. ③Verbesserung der Ausgangsanordnung für den Öltank. ④Wichtige Überwachungspunkte sind redundant ausgelegt. Gemäß der oben beschriebenen Methode wurden schrittweise die Temperaturmesswiderstände der Lager in den Kraftwerksblöcken 1–4 des Liujiaxia-Wasserkraftwerks umgerüstet. Die Betriebsergebnisse zeigen, dass die verbesserten Pt100-Temperaturmesswiderstände während der alle fünf Jahre stattfindenden Wartungsarbeiten zuverlässig und stabil funktionieren. Dadurch werden Stillstände aufgrund von Fehlern oder Schäden an den Komponenten vermieden. Die Praxis hat gezeigt, dass diese Methode gut anwendbar ist und vor Ort effektiv eingesetzt werden kann. Sie bietet somit eine wertvolle Grundlage für die Umrüstung der Temperaturmesswiderstände in anderen in Betrieb befindlichen Wasserkraftwerken sowie für die Auswahl und Installation solcher Widerstände bei neuen Wasserkraftwerken. Autoren: Wang Ruyu, Gou Xiaojun, Luo Hongping vom Staudamm Liujiaxia der State Grid Gansu