Analyse des pannes des résistances thermiques de mesure de la température des paliers des turbines des grandes centrales hydroélectriques et améliorations

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Les groupes 1 à 4 de la centrale hydroélectrique de Liujiaxia sont des groupes turbogénérateurs suspendus, soutenus par trois types de paliers – un palier de poussée, un palier supérieur et un palier d’eau – pour supporter les forces axiales et radiales pendant le fonctionnement du groupe. La température des paliers constitue un moyen important pour surveiller l’état de fonctionnement du groupe. La température des bougies d’axe est intégrée au système de protection du groupe ; en cas de température trop élevée, une alarme est déclenchée ou le groupe s’arrête. Son importance est évidente. Cependant, pendant le fonctionnement de l’unité, en particulier lors des périodes de crue où les grands groupes électrogènes fonctionnent sur de longues périodes, les résistances thermiques Pt100 utilisées pour la mesure de la température des paliers présentent divers problèmes tels que des signaux erronés, des sauts de valeur et l’absence de lecture. Il devient difficile de déterminer s’il s’agit d’un problème lié à l’unité elle-même ou aux résistances platinées de mesure, ce qui pose des risques pour le fonctionnement sûr de l’unité. Résistance thermique yunrun.com.cn/product/list_80.html 1. Présentation du système de mesure de la température pour les groupes turbines En application industrielle, il existe deux principes de mesure de la température : les thermocouples et les résistances thermiques. La résistance thermique mesure la température en se basant sur l’effet thermique de la résistance, c’est-à-dire la propriété selon laquelle la valeur de résistance d’un matériau varie avec la température. Ainsi, il suffit de mesurer la variation de la résistance du résisteur platine thermique pour déterminer la température. Les matériaux de résistance thermique métallique les plus couramment utilisés actuellement sont le platine et le cuivre, avec les codes d’échelle les plus répandus étant Pt100 et Cu50. La mesure de la température des paliers des groupes électrogènes de la centrale hydroélectrique de Liujiaxia se fait à l’aide de résistances thermiques Pt100. La résistance thermique Pt100 est installée sur le site de production, à une certaine distance du panneau de commande ; le signal de résistance est transmis au module de collecte informatisé par des fils conducteurs. Systèmes de câblage en deux, trois et quatre fils pour les résistances thermiques classiques. Étant donné que la centrale hydroélectrique de Liujiaxia déclenche directement des signaux d’alarme et provoque un arrêt lorsque la température des paliers des turbines dépasse une valeur prédéfinie, une grande précision dans la mesure de la température est requise. Afin de réduire au minimum l’impact du déséquilibre de la résistance des câbles sur les résultats de mesure, la mesure de la température des paliers utilise des résistances thermiques Pt100 en système à trois fils. 2. Problèmes constatés : D’après les données statistiques (voir tableau 1), on constate que, lors du fonctionnement de la résistance thermique Pt100, les principaux problèmes sont : des variations fréquentes des valeurs de mesure ； Le capteur de température est en court-circuit, sa résistance est de 0 Ω ； Le capteur de température est ouvert, sa résistance est de∞ ； Problèmes tels qu’un écart important entre la valeur affichée et la valeur mesurée réelle. Tableau 1 : Statistiques des défauts du système de mesure de température de avril à novembre
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3. Analyse des causes des pannes
① Durée de fonctionnement longue, difficulté d’entretien
Les résistances de mesure de température de la poussée et des paliers de guidage sont installées dans des espaces restreints difficiles d’accès pour l’entretien et le remplacement. Au cours du fonctionnement de l’unité, les capteurs et certaines fils électriques restent longtemps immergés dans de l’huile de turbine à haute température, subissant en permanence les impacts du flux d’huile et les vibrations de l’unité, ce qui entraîne des dommages mécaniques importants. Comme les éléments de mesure de la température situés dans les paliers ne peuvent généralement être inspectés et entretenus que lors des révisions de niveau A, lors du démontage de l’unité. En temps normal, si l’on doit traiter un composant défectueux, il est nécessaire de demander une arrêt non planifié de l’unité, puis d’effectuer une série de travaux tels que le vidange du huile, le démontage du réservoir à huile des ressorts et le retrait des paliers ; cela entraîne un long temps d’arrêt et des difficultés importantes. Par conséquent, en cas de saut ou de rupture du résistance de mesure pendant le fonctionnement normal, il est généralement impossible d’intervenir rapidement ; il faut alors mettre temporairement hors service le point défectueux. La température des paliers étant un paramètre important pour le fonctionnement de l’unité, l’absence prolongée de mesures de température dans cette zone empêche les opérateurs de juger en temps opportun et avec précision de l’état de fonctionnement de l’unité, ce qui met directement en péril son fonctionnement sûr et stable. ②Problèmes propres à la résistance de mesure de température : a) Absence de ressort au niveau du point de fixation du composant. Comme le composant de mesure de température installé dans les paliers d’axe est soumis à des vibrations continues pendant son fonctionnement, l’absence de ressort au niveau du point de fixation empêche d’atténuer l’impact des vibrations sur le composant. b. Aucune protection extérieure pour le fil de mesure de la température. Le fil de mesure de la température présente de faibles propriétés de résistance à l’huile, à la corrosion et à la chaleur ； Exposé sur le long terme à un environnement imprégné d’huile, il est susceptible de devenir dur, cassant, et de présenter des fissures à la surface, ce qui raccourcit sa durée de vie ； Les vibrations à long terme peuvent provoquer la rupture du fil à la base du capteur (voir fig. 1, fig. 2). Une inspection sur place a révélé que les pannes dues à une rupture du fil à la base représentaient près de 50 % du nombre total des pannes des résistances de mesure de température. Figure 1 : Déconnexion à la base du capteur
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Figure 2 : Déconnexion à la base du capteur
③ Problèmes d’installation de la résistance de mesure de température
a. Problèmes de connexion des fils
La longueur trop courte des fils de la résistance de mesure de température entraîne de nombreux points de connexion dans le réservoir d’huile. Chaque point de connexion doit être soudé, mais l’espace restreint dans le réservoir rend les opérations de soudure difficiles, ce qui provoque facilement des soudures imparfaites ou des décollements. Cela conduit à des ruptures aux endroits de soudure lorsque le composant de mesure de température est soumis à des vibrations ou aux impacts du flux d’huile pendant son fonctionnement. Par exemple, pour la unité 4 de la centrale hydroélectrique de Liujiaxia, la transition des forces de poussée ainsi que des fils des résistances de mesure situées dans les canaux de guidage supérieurs s’effectue au moyen de connexions à vis. Les fils des éléments de mesure et les fils du câble de mesure sont fixés sur une plaque en époxye à l’aide de vis, afin d’assurer cette transition. Cependant, lors de la révision du groupe électrogène, il a été constaté que les bornes de connexion des plaques époxy de transition se détachaient facilement et s’oxydaient, provoquant un mauvais contact et des variations brusques des valeurs de température. b. L’installation des câbles dans le réservoir d’huile n’est pas conforme ; l’ fixation et le serrage des câbles s’effectuent à l’aide de rubans en plastique, ce qui peut endommager l’enveloppe extérieure des câbles. Les supports de câbles fixés dans le réservoir à huile sont faits de tôle fine, dont les bords sont tranchants ; si l’enveloppe extérieure du câble n’est pas protégée, elle peut facilement être endommagée par ces parties tranchantes, ce qui crée des risques potentiels. Dans certains cas, le câblage n’est pas suffisamment fixé dans le réservoir d’huile ; lors du fonctionnement de l’unité, le flux d’huile et les fluctuations provoquent la rupture des fils de mesure aux jonctions, comme le montre la figure 3. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312159048363.png Figure 3 : Les fils de mesure de la température sont usés. c) La résistance de mesure de la température et les fils de connexion ne disposent pas d’un blindage efficace. Comme les fils de la résistance de mesure utilisés sont fins et que leur couche de blindage est faible, lors du raccordement, le blindage extérieur de la résistance de mesure ne se connecte pas correctement au blindage extérieur du câble de mesure. Le fort champ électrique généré par le générateur en fonctionnement, ainsi que le fort champ magnétique dû aux fuites magnétiques, provoquent de fortes perturbations dans le circuit de mesure de la température, ce qui entraîne des variations brusques de température. 4. Mesures d’amélioration ① Amélioration des résistances de mesure de la température. La société Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. a introduit et adopté des technologies importées à l’étranger dans la production de résistances en platine pour turbines. Lors de l’amélioration des résistances en platine servant à mesurer la température, elle a bénéficié des conseils et du soutien technique de Changhui Instrument. Des ressorts spéciaux ont été installés aux endroits où les nouvelles résistances thermiques Pt100 sont fixées, comme le montre la figure 4, afin d’atténuer l’impact des vibrations du groupe moteur sur les éléments de mesure de la température ； Choisir un matériau isolant externe doté de bonnes propriétés de résistance à l’huile, à la corrosion et à la chaleur pour les fils de mesure, afin d’allonger la durée de vie du câble ； Utiliser des fils de mesure dotés d’un blindage en réseau dense pour réduire les interférences du champ magnétique intense sur l’élément de mesure. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312204195095.png Figure 4 : Installation de ressorts spéciaux en zone fixe. À l’endroit où le fil conducteur est relié à la résistance de mesure de la température, on utilise des manchons ondulés et des fils blindés pour assurer une protection supplémentaire, comme le montre la figure 5. Il convient de souligner en particulier la méthode de protection par extension du fil d’armure : le fil d’armure à l’intérieur du capteur est prolongé jusqu’à l’extérieur, de sorte que toute la partie du câble exposée aux impacts du flux d’huile est constituée de ce fil d’armure. En réalité, le fil d’armure est une couche de protection en acier inoxydable qui peut être pliée librement et offre d’excellentes propriétés de résistance à la corrosion, aux chocs et aux vibrations, permettant ainsi de résoudre complètement les problèmes de corrosion et d’impact causés par l’huile sur le câble. Durée de vie plus longue, performance plus fiable. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312208026363.png Figure 5 Protection étendue ② Installation et câblage normalisés de la résistance de mesure : a) Dans les canaux de guidage supérieur et d’eau, la vitesse de rotation de l’huile est très élevée, ce qui génère de fortes forces d’impact sur les points de connexion entre la sonde de mesure et les fils. Lors de l’installation sur site, il convient de câbler dans le sens de l’écoulement de l’huile afin de réduire l’impact de celui-ci sur les fils à la base de la sonde. b. Les fils de la résistance thermique Pt100 pour la mesure de la température sont installés dans le bassin d’huile ; tous les 500 mm, ils sont attachés avec des bandes en tissu blanc, puis on applique une peinture isolante préparée sur ces points d’attache afin de les homogénéiser et de regrouper les fils en faisceau, réduisant ainsi l’impact des turbulences causées par le flux d’huile. c. Rassembler les fils de la résistance de mesure en un faisceau le long du support des paliers axiaux, et fixer ce faisceau à la paroi du réservoir d’huile ou au support à l’aide de clips. On utilise des clips de fil recouverts de caoutchouc résistant à l’huile pour éviter que l’enveloppe extérieure du fil ne s’abîme, et ainsi prévenir tout dommage mécanique du fil dans le bassin d’huile. Lorsque la fiche de câblage est de grande taille, enroulez d’abord le faisceau de câbles avec un ruban en tissu blanc, puis fixez-le à l’aide de la fiche de câblage. ③Amélioration du dispositif de sortie du réservoir d’huile : Un dispositif de sortie du réservoir d’huile spécialement conçu est utilisé, comme le montre la figure 6, afin de résoudre les problèmes de fuite d’huile lors de la sortie des câbles du réservoir et les difficultés d’installation. La plaque de base et les fermoirs anti-huile du dispositif de sortie du réservoir d’huile sont tous deux en acier inoxydable 304, ce qui garantit qu’aucune déformation ne se produira lors du démontage et du remontage de l’unité pendant les travaux de maintenance. La plaque en acier est pourvue de plusieurs orifices transparents permettant le passage des fils. Une fois les fils insérés, on serre la languette anti-huile ; la bande d’étanchéité située à l’intérieur de cette languette s’adapte parfaitement au revêtement extérieur des fils, empêchant ainsi toute fuite d’huile sous pression lors du fonctionnement de l’appareil. Avec cet appareil, les fils n’ont pas besoin d’être soudés un par un ou reliés par des vis ; ils passent directement depuis le réservoir d’huile jusqu’à la boîte de terminaux située sur la paroi extérieure du bassin d’huile. En réduisant les étapes de transfert intermédiaires, il présente des avantages tels qu’une procédure simple et un niveau de protection élevé. À l’heure actuelle, les dispositifs de sortie des réservoirs d’huile des groupes 1 à 4 de la centrale hydroélectrique de Liujiaxia ont tous été remplacés, et aucun fuite d’huile n’a été constatée en service. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312210257899.png Figure 6 : Dispositif de sortie du réservoir d’huile ④ Les points de surveillance importants sont équipés en configuration redondante. Comme, pendant le fonctionnement normal de l’unité, il est extrêmement difficile de remplacer un élément de mesure de température en cas de panne, il convient, afin d’améliorer la fiabilité du fonctionnement, d’utiliser autant que possible des résistances de mesure à double branche dans les parties importantes telles que les paliers de poussée et les paliers guides. C’est-à-dire que deux résistances thermiques du même numéro de graduation et de la même précision sont disposées dans le même gaine d’armure extérieure, afin de mesurer la température au même point. Les fils de sortie du capteur de température doivent être utilisés selon un système à six fils, afin d’éliminer l’impact du déséquilibre de la résistance des fils sur les résultats de mesure. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312213255292.png Figure 7 Schéma de la structure du résisteur de mesure à deux branches. L’utilisation d’un résisteur de mesure à deux branches permet d’obtenir deux points de mesure au même endroit ; les fils de ces deux points de mesure sont tous deux reliés à la boîte de terminaux située sur la paroi extérieure du bassin d’huile. En conditions normales, l’un fonctionne et l’autre sert de réserve. Lorsqu’un composant tombe en panne, il suffit de connecter le câble externe à la boîte de terminaux au composant de secours, ce qui réduit les risques pour l’équipement liés à l’impossibilité de remplacer un résistance endommagée. Cet article analyse les causes de problèmes tels que la rupture des fils et l’atteinte instantanée de la valeur maximale des mesures lors du fonctionnement des résistances de mesure utilisées dans les centrales hydroélectriques, et propose les améliorations suivantes : ① Améliorer les résistances de mesure. ②Normer l’installation et le câblage des résistances de mesure de température. ③Améliorer le dispositif de sortie du réservoir d’huile. ④Les points de surveillance importants sont configurés de manière redondante. Selon la méthode décrite ci-dessus, les résistances de mesure de température des paliers des groupes 1 à 4 de la centrale hydroélectrique de Liujiaxia ont été modifiées étape par étape. Les résultats opérationnels montrent que les résistances thermiques Pt100 améliorées peuvent fonctionner de manière sûre, fiable et stable pendant les périodes d’entretien de niveau A toutes les cinq années, évitant ainsi les arrêts de production dus à des signaux erronés ou à des dommages des composants. La pratique a prouvé que cette méthode est facile à mettre en œuvre et peut être appliquée efficacement sur site ; elle constitue une référence pour la modification des résistances de mesure de température dans d’autres centrales hydroélectriques en service, ainsi que pour le choix et l’installation de telles résistances dans de nouvelles centrales. Auteurs : Wang Ruyu, Gou Xiaojun, Luo Hongping, centrale hydroélectrique de Liujiaxia, State Grid Gansu