大型水力発電所のタービン軸受の温度測定用熱抵抗の故障解析と改善

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劉家峡水力発電所の1～4号機は吊り下げ式の水車発電機であり、推力軸受、上部ガイド軸受、水ガイド軸受の3つの軸受が、運転時の軸方向力と半径方向力を支えている。軸受の温度は、機器の運転状態を監視するための重要な指標であり、軸受の温度は機器の保護装置にも接続されている。温度が過度に上昇すると警報が発せられたり、機械が停止したりするため、その重要性は言うまでもない。しかし、発電機が運転中、特に洪水季に大型発電機が長時間連続して運転される際、各軸受の温度測定用Pt100熱抵抗で、異なる程度の誤報、値の急変、読み取り不能といった問題が発生し、それが発電機自体の問題なのか、温度測定用の白金抵抗の問題なのかを判断するのが非常に難しく、発電機の安全な運転にリスクをもたらしています。 熱抵抗yunrun.com.cn/product/list_80.html 1. 水力タービン機組の温度測定システムについて 工業分野における温度測定には、熱電対と熱抵抗という2つの測定原理があります。熱抵抗は、抵抗の熱効果に基づいて温度を測定するもので、つまり抵抗体の抵抗値が温度の変化に伴って変化する特性です。したがって、感温白金抵抗の抵抗値の変化を測定すれば、温度を測定できる。現在、最も広く使用されている金属熱抵抗体材料は白金と銅で、一般的な目盛り番号にはPt100とCu50の2種類があります。劉家峡水力発電所の発電機軸受の温度測定には、すべてPt100熱抵抗式温度計が使用されている。 Pt100熱抵抗は製造現場に設置され、制御盤キャビネットとは一定の距離があり、抵抗信号はリード線を通じてコンピュータの収集モジュールに送信されます。一般的な熱抵抗の2線式、3線式、4線式のリード線方式。劉家峡水力発電所のタービン軸受の温度が定められた値を超えると、直ちに信号送信や遮断が行われるため、温度測定の精度が非常に重要となります。また、ケーブルの抵抗不均衡が測定結果に与える影響を最小限に抑えるため、軸受の温度測定には3線式のPt100熱抵抗が使用されています。 2、問題点 統計データ（表1参照）を分析した結果、Pt100熱抵抗の運用において主に以下の問題が見られる：測定値の頻繁な変動；温度センサーが短絡し、抵抗値は0Ω；温度センサーが開路し、抵抗値は∞；表示値と実際の測定値との偏差が大きいなどの問題がある。 表1 4月～11月の温度測定システムの不具合統計表
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3. 不具合の原因分析
①稼働時間が長く、メンテナンスが困難
推力軸受や各ガイドベアリングの温度測定用抵抗器は、メンテナンスや交換が困難な狭い場所に設置されている。また、発電機が稼働している間、センサーや一部の配線は高温のタービンオイルに長期間浸かった状態にあり、常にオイルの流れや発電機の振動による影響を受けるため、機械的な損傷が深刻になりやすい。軸受位置の温度測定素子は、一般的にA級点検で機組を分解する際にのみ点検・保守を行う機会がある。通常、故障した部品を処理する場合は、機械の計画外停止を申請し、オイルの排出やスプリング式オイルタンクの取り外し、ベアリングの取り出しなど一連の作業が必要となり、停止時間が長く、作業も困難です。したがって、通常の運転中に温度センサーの抵抗値に変動や断線などが発生した場合、すぐに対処することはできず、故障箇所を一時的に運転から外す必要があります。また、ベアリングの温度は機器の運転において重要なパラメータであり、長期にわたってベアリング部分の測定ポイントの温度が得られない場合、運転員は機器の運転状況をタイムリーかつ正確に判断することができず、機器の安全かつ安定した運転が直接的に危険にさらされます。 ②温度測定用抵抗体自体の問題 a、部品の固定部にスプリングがない 軸受部分に取り付けられた温度測定用部品は運転中に絶えず振動を受けるため、固定部にスプリングがなければ、その振動が部品に与える影響を緩和することができない。 b、温度測定用導線の外部に保護がなく、耐油性、耐腐食性、耐熱性が比較的低い；長期にわたって油に浸された環境にあると、硬化や脆化、表面のひび割れなどが起こりやすく、使用寿命が短くなる；長期間の振動により、センサーの根元で導線が切断されることがあります（図1、図2）。現場検査の結果、根元での配線切断による故障が、温度測定用抵抗の故障全体の約50％を占めていることがわかった。 図1 センサーの根元部分が切断されている状態
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図2 センサーの根元部分が切断されている状態
③ 温度測定用抵抗器の取り付けに関する問題
a. 配線の接続に関する問題
温度測定用抵抗器から出る配線が短いため、オイルタンク内での接続点が多くなります。各接続点を溶接する必要がありますが、オイルタンク内はスペースが狭く、溶接作業が困難です。その結果、不完全な溶接や接続が外れるといった問題が発生し、運転中に振動や油の流れによって接続部が切れてしまうことがあります。例えば、劉家峡水力発電所の第4号機を例にとると、推力および上部ガイドオイル溝内の温度測定用抵抗線の接続にはネジ式接続が用いられ、温度測定素子のリード線と温度測定用ケーブルの導線はナットによってエポキシ板に固定され、これによって接続が実現される。しかし、機器の点検・分解時に、エポキシ板製の接続端子が緩んだり酸化したりしやすく、接触不良を引き起こし、その結果温度値が急変することがわかった。 b、オイルタンク内の配線が不適切で、導線の固定や結束にプラスチックのテープが使用されており、導線の外皮を傷つけやすい。油槽内の固定用クリップは薄い鉄板でできており、その端は鋭いため、導線の外皮に保護層がなければ、その鋭い部分によって簡単に損傷し、危険な状態が残ります。一部の配線はオイルタンク内でしっかりと固定されておらず、機械が動作する際の油の流れや急激な圧力変動によって、接続部で温度測定用のワイヤーが切断されることがあります。図3に示されています。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312159048363.png 図3 温度測定用リード線が摩耗している。c、温度測定用抵抗体および導線に有効なシールドが施されていない。使用されている温度測定用抵抗体のリード線が細いため、シールド層が薄く、接続時に温度測定用抵抗体の外部シールドと温度測定用ケーブルの外部シールドが適切に接続されない。その結果、発電機の運転時に生じる強い電場、特に漏れ磁気によって生じる強い磁場が温度測定回路に大きな干渉を与え、温度に急激な変動が生じる。 4、改善策 ①温度測定用抵抗体の改良 昌晖計器製造有限公司は、タービン用プラチナ抵抗体の製造において海外からの技術を導入・吸収し、温度測定用プラチナ抵抗体の改良過程で昌晖計器からのアドバイスと技術支援を受けました。新しく交換されるPt100熱抵抗体の固定部には、図4に示すように特殊なスプリングを取り付け、機械の振動が温度測定素子に与える影響を緩和しています；温度測定用リード線には、優れた耐油性、耐腐食性、耐熱性を持つ外層絶縁材料を選択し、導線の使用寿命を延ばす；密な網目状のシールドを備えた温度測定用ワイヤーを使用し、強磁場による温度測定素子への干渉を低減する。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312204195095.png 図4 固定部に特製スプリングを取り付ける 导線と温度測定用抵抗体の接続部には、図5に示すようにチューブや被覆ワイヤーを使用して保護を施す。ここで特に強調したいのが、ケーブルを保護するためのアーマチュア線の延長方式です。センサー内部のアーマチュア線を外側まで延長することで、導線が油の流れの影響を受ける部分はすべてアーマチュア線となります。実際、アーマチュア線とは自由に曲げることができるステンレス製の保護層であり、耐腐食性、耐衝撃性、耐振動性に優れているため、導線が油によって腐食したり衝撃を受けたりする問題を完全に解決することができます。使用寿命が長く、性能もより信頼性が高い。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312208026363.png 図5 拡張保護 ②温度測定用抵抗器の取り付けおよび配線の規格化 a、推力、上部ガイド、水ガイドオイルタンク内では、オイルの回転速度が非常に速く、温度測定用抵抗器のプローブと配線の接続部分に大きな衝撃が加わる。現場での取り付け時には、オイルの流れの方向に沿って配線することで、オイルの流れがプローブの根元部分の配線に与える衝撃を軽減するようにする。 b、温度測定用のPt100熱抵抗線はオイルタンク内を配線し、500mmごとに白い布テープで固定する。その後、調合済みの絶縁塗料を布テープで固定した部分に塗布して一体化させ、導線を束ねることで、油の流れによる影響を軽減する。 c、軸受ブラケットに沿って温度測定用抵抗器のリード線を一束にまとめ、ワイヤーカードを用いてそのワイヤーハーネスをオイルタンクの壁またはブラケットに固定する。耐油ゴムで覆われたワイヤーカードを使用し、導線の外皮が摩耗するのを防ぎ、油槽内での機械的な損傷を避けます。ケーブルクリップが大きい場合は、まず白い布でケーブルハーネスを巻き付けた後、ケーブルクリップで固定します。 ③オイルタンクからの配線装置の改良 図6に示すような特別に設計されたオイルタンクからの配線装置を採用することで、導線がオイルタンクから出る際の漏油や取り付けの不便さといった問題を解決する。油槽の出線装置のベースプレートおよび油隔離用ロックは、いずれも304ステンレスを使用しており、機器の点検・分解時に取り付けや取り外しによる変形が生じないようにしています。鋼板にはいくつかの通線用の穴が設けられており、導線を通した後にオイル遮断用のロックを締め付けます。このロックの内部にあるシールストリップが導線の外皮にしっかりと密着するため、機器が動作している際に圧力油が通線用の穴から漏れ出るのを防ぎます。この装置を使用すると、導線は1本ずつ溶接したりネジで接続したりする必要がなく、オイルタンクから直接油受けの外壁にある接続端子箱まで通されます。中間の転送工程を削減し、工程が簡単で防護等級が高いという利点があります。現在、劉家峡水力発電所の1～4号機のオイルタンクからの配線装置はすべて交換されており、運転中に油漏れの現象は発生していません。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312210257899.png 図6 オイルタンクの配線装置 ④重要な監視ポイントには冗長構成を採用する。機械が正常に稼働している間に温度センサーが損傷した場合、交換が非常に困難になるため、運用の信頼性を高めるためには、推力軸受やガイドベアリングといった重要な部分にはできるだけ二重構造の温度抵抗体を使用すべきである。つまり、同一のケーシング外被内に、同じ目盛り番号で同等の精度を持つ2本の熱抵抗を配置し、同一点の温度を測定するものである。温度センサーのリード線は、リード線の抵抗の不均衡が測定結果に与える影響を排除するため、6線式を使用すべきである。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312213255292.png 図7 二本柱式温度検出抵抗体の構造図 二本柱式温度検出抵抗体を使用すると、同じ位置から2つの測定ポイントを取り出すことができ、これら2つの測定ポイントの配線はいずれもオイルタンクの外壁にある接続端子箱まで引かれる。通常は1本が稼働し、もう1本が予備となる。部品に故障が発生した場合、端子箱で外部ケーブルを予備部品に接続するだけで済み、1つの抵抗が破損して交換できないことによる装置のリスクが軽減されます。 本稿では、水力発電所の温度測定用抵抗器が動作中に生じる断線や、測定値が瞬間的に最大値に達するといった問題の原因を分析し、以下の改善策を提案している：①温度測定用抵抗器の改良。 ②温度測定用抵抗器の取り付けおよび配線を規格化する。 ③油槽出線装置を改良する。 ④重要な監視ポイントには冗長構成が採用されている。 上記の方法に従って、劉家峡水力発電所の1～4号機のベアリング部分にある温度測定用抵抗体を段階的に改良した。運用状況から、改良後のPt100型温度測定用熱抵抗体は、5年に一度行われるA級点検期間中も安全かつ安定して動作し、部品の誤報や損傷による停止や点検が回避された。実際の運用結果から、この方法は実施が容易であり、現場で効果的に適用できることが証明された。これは、他の稼働中の水力発電所における温度測定用抵抗体の改良や、新しく建設される水力発電所における同様の部品の選定・設置においても参考になる。 著者：国家電網甘粛省劉家峡水力発電所　王茹玉、苟小軍、羅宏平