Możliwości monitoringu online wytrzymałości priorytetowych

ENERGETYKA
Możliwości monitoringu online
wytrzymałości priorytetowych
rurociągów technologicznych
w elektrowniach
Marek Łysakowski, Jarosław Krzysztofowicz
ILF Consulting Engineers Polska sp. z o.o.
Większość bloków
energetycznych w Polsce już
osiągnęła lub w najbliższym
czasie przekroczy swoją
obliczeniową żywotność. Ze
względu na bezpieczeństwo
pracy, w celu dopuszczenia
do ich dalszej
eksploatacji, konieczne
jest prognozowanie
trwałości i określenie
stopnia wyczerpania
rurociągów energetycznych.
Eksploatujący,
w porozumieniu z Urzędem
Dozoru Technicznego
(UDT), ustala formę
dozoru oraz szereg badań
i zaleceń diagnostycznych
wraz z wyznaczeniem
częstotliwości ich wykonania
Rys. 1.
Fot. 1.
Fot. 2.
Monitoring tradycyjny
Zgodnie z dyrektywą 97/23/WE (w skrócie
PED) oraz 2014/68/UE, materiały wykorzystywane
do produkcji urządzeń ciśnieniowych wymagają
szczegółowych badań na etapie wytwarzania oraz
w późniejszej diagnostyce eksploatacyjnej. Powinny się one charakteryzować stabilnymi własnościami podczas całego cyklu użytkowania. Główne rurociągi bloków energetycznych (pary świeżej, pary
wtórnie przegrzanej) pracują w zakresie bardzo
wysokich temperatur i są stale obciążone wysokim
ciśnieniem wewnętrznym oraz innymi czynnikami,
które wynikają m.in. z geometrii, lokalizacji i typów
zamocowań, zmian parametrów procesowych, ilości rozruchów, odstawień itp. Rurociągi te są narażone na większe ryzyko uszkodzenia i skrócenia
ich żywotności, w porównaniu do innych układów
ciśnieniowych bloku, z powodu równoczesnego
oddziaływania niekorzystnych dla materiału zjawisk: pełzania, zmęczenia mechanicznego, zmęczenia cieplnego oraz korozji. Pełzanie, czyli proces
odkształcenia plastycznego, zachodzącego z bardzo małą prędkością w podwyższonej temperaturze i pod wpływem przyłożonego obciążenia, jest
podstawowym czynnikiem powodującym degradację materiału głównych rurociągów parowych.
Prognozowanie trwałości eksploatowanych
rurociągów tradycyjną metodą może być pra-
Obraz monitorowanego rurociągu wraz
z przedstawionymi wartościami sił
w systemie SR::SPM
Pomiar przemieszczeń pionowych na
zamocowaniu stałosiłowym
Pomiar obciążeń na cięgnach zawieszenia
Fot. 1.
lipiec - wrzesień
Wyniki obserwacji powyższych elementów
wprowadzane są ręcznie do bazy danych, co wymaga skrupulatności i systematyczności w prowadzeniu zapisu. Aby ułatwić pracę służbom utrzymania ruchu elektrowni i ograniczyć pomyłki lub
błędy powstające podczas gromadzenia danych,
zamiast pracochłonnego zapisu ręcznego można
skorzystać ze zautomatyzowanego systemu do monitorowania danych z eksploatacji głównych rurociągów parowych.
Fot. 2.
Rys. 1.
60
cochłonne i kosztowne. Wymaga ono wykonania szeregu badań nieniszczących oraz niszczących, np. podczas odstawienia bloku, a także
obliczeń uwzględniających zużycie rurociągów
wywołane pełzaniem i zmęczeniem niskocyklowym.
Odstawienia serwisowe można pożytecznie wykorzystać, np. do przeprowadzenia koniecznych
modernizacji lub regeneracji poszczególnych układów ciśnieniowych.
Podczas eksploatacji, a także przerw remontowych, szczególną uwagę zwraca się na:
– spadki rurociągów,
– swobodę przemieszczania się rurociągów w różnych cyklach pracy,
– stan techniczny zamocowań i możliwość realizacji ich założonych (projektowanych) funkcji.
3 / 2014 [10]
ENERGETYKA
System monitoringu online
Metody kontroli stanu rurociągów stosowane we wcześniejszych latach opierały się wyłącznie na badaniach temperatury
i ciśnienia. Aktualnie wykorzystywane systemy ciągłego monitoringu (online) obejmują dodatkowo pomiary przemieszczeń oraz
sił oddziałujących na rurociąg. Otwierają one służbom utrzymania
ruchu elektrowni nowe możliwości w ocenie stanu technicznego
rurociągów oraz w szacowaniu ich trwałości resztkowej. Zdalna (bezobsługowa) diagnostyka instalacji oraz stały monitoring
stanu parametrów pozwalają na analizę zdarzeń nietypowych
pod kątem eksploatacji w całym okresie życia rurociągu. Dzięki
temu możliwe jest dokładne prognozowanie jego trwałości. Stopień skomplikowania takich systemów jest stosunkowo niewielki
w odniesieniu do możliwości, jakie ich zastosowanie otwiera.
Przykładowym systemem monitoringu pracy i określania żywotności głównych rurociągów pary jest system SR::SPM firmy STEAG.
Wykorzystuje się go w wielu nowych blokach energetycznych
w Niemczech, m.in. w elektrowni Walsum (moc 750 MWe, temperatura pary świeżej 603C, ciśnienie 273 bar). System ten bazuje na metodzie pomiarowo-obliczeniowej opisanej w standardzie
VGB-S-506-R-00, zaś obliczenia uszkodzeń spowodowanych
pełzaniem i niskocyklowym zmęczeniem opierają się na normie
EN 12592-4.
Zakłada się, że system monitoringu powinien:
– dokonywać pomiaru sił i przemieszczeń na zamocowaniach za
pomocą urządzeń pomiarowych – siłomierzy i drogomierzy,
– umożliwiać wykonanie obliczeń wytrzymałościowych z poprawką bazującą na wskazaniach ww. mierników, z odniesieniem się do modelu uwzględniającego status po zainstalowaniu rurociągu (dane na temat geometrii, grubości ścianek,
rozmieszczenia zamocowań itp., pochodzące z dokumentacji
powykonawczej);
– umożliwiać porównanie stanów modelu odwzorowującego
stan powykonawczy (as-built) z rzeczywistym modelem roboczym;
– umożliwiać przeliczenie modelu rzeczywistego w trybie ciągłym (m.in. przeliczenia obciążeń, naprężeń, przemieszczeń)
w celu określenia dalszego możliwego czasu eksploatacji rurociągu.
Wspomniany system monitoringu pracy pozwala określić obciążenie w rurociągach w sposób ciągły, w oparciu o stałe pomiary sił oraz przemieszczeń w kierunkach poziomych i pionowych.
Pomiar stanu przemieszczeń jest realizowany na zamocowaniach
stałosiłowych, natomiast pomiar obciążeń na zamocowaniach
sztywnych.
Na etapie projektowania każdorazowo analizuje się lokalizację
i liczbę punktów pomiarowych. Powinny one być rozmieszczone w taki sposób, aby umożliwiać ocenę stanu całego monitorowanego orurowania przy jak najmniejszej liczbie mierników.
Wyniki pomiarów są wprowadzane do wytrzymałościowego modelu rurociągów (np. pary świeżej), wykonanego na podstawie
dokumentacji powykonawczej i odzwierciedlającego rzeczywistą
geometrię, dane zamocowań i parametry procesowe.
Opisywany system monitoringu wykorzystuje do obliczeń wytrzymałościowych oprogramowanie ROHR2. Istnieje jednak możliwość wykonania tych samych operacji obliczeniowych przy
użyciu innego oprogramowania. Rzeczywiste parametry uzyskane z pomiarów dają obraz porównawczy ze stanem projektowym
(wartościami nominalnymi). Na ekranie monitora przedstawiana
jest wizualizacja układu monitorowanego rurociągu oraz dane
z obliczeń i pomiarów (rys. 1). Wyświetlane tabele pokazują nolipiec - wrzesień
Paliwa
i Energetyka
minalne i zmierzone wartości sił z lewej oraz prawej nitki rurociągu. Kolorem zielonym oznaczono wartości zmierzone mieszczące się w zakresie nominalnym, a kolorem czerwonym wartości
przekraczające zakres nominalny dla zawieszenia, na którym zamocowano element pomiarowy.
Dlaczego to się opłaca?
Poza bieżącą analizą stanu rurociągów, zastosowany system
pozwala również na natychmiastowe zdiagnozowanie nieprawidłowości ich pracy (np. zerwanie zawieszenia – poprzez pomiar
siły w dwóch siłomierzach zainstalowanych na jednym wieszaku i graficznym pokazaniu zmiany obciążenia lub jego zablokowania na wykresie). Dzięki możliwości wykonania obliczeń
uszkodzenia materiału rurociągu, spowodowanego pełzaniem
i zmęczeniem niskocyklowym, można oszacować wyczerpanie
trwałości materiału w odniesieniu do czasu użytkowania.
Monitoring wykonywany w sposób ciągły pozwala na dokładne wytypowanie najbardziej wytężonych elementów rurociągów. Taka informacja umożliwia użytkownikowi natychmiastowo określić miejsce, gdzie należy przeprowadzić badania
nieniszczące, a także może przyczynić się do zmniejszenia ilości
koniecznych badań diagnostycznych (w przyszłej eksploatacji,
w porozumieniu z jednostką notyfikowaną). Dodatkowo system
monitoringu online pozwala na uelastycznienie pracy bloku poprzez zmianę (w możliwych granicach) parametrów pracy kotła
– każda zmiana parametrów pracy zapisywana jest w sposób automatyczny i uwzględniana podczas obliczania zużycia trwałości
resztkowej. Uzyskane w wyniku pomiarów dane mają umożliwić w przyszłości ustalenie wiarygodnej, rzeczywistej żywotności
materiałów rurociągów. Bardzo czasochłonne metody eksperckie, wymagające m.in. przeprowadzania prób pełzania, można
zastąpić obliczeniami, gdy dysponuje się wiarygodnymi danymi,
gromadzonymi przez okres eksploatacji rurociągów.
Zaproponowany system daje możliwość monitorowania żywotności rurociągów wysokich parametrów w odniesieniu do
wymagań najnowszych standardów technicznych. Wykorzystanie
go niewątpliwie będzie się przyczyniać do zwiększenia dyspozycyjności bloku i zdecydowanie uprości gromadzenie danych,
które w przyszłości pomogą eksploatującemu w podejmowaniu
kluczowych decyzji dotyczących rurociągów, na których jest zainstalowany. Aktualnie wdrażane są też inne metody monitoringu
pracujące w sposób ciągły, których wspólnym zadaniem jest prawidłowe określenie rzeczywistego stanu technicznego rurociągów i oszacowanie ich trwałości resztkowej w celu zapewnienia
bezpiecznej eksploatacji.

Literatura
[1] PN-EN 12952-4: Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze, Część 4: Obliczenia oczekiwanej trwałości kotłów podczas eksploatacji. PKN 2002.
[2] VGB-S-506-R-00, 2012-03: Condition Monitoring and inspection of components of steam boiler plants, pressure vessel
installations and high-pressure water and steam pipes. VGB
Power Tech e. V, 2012.
[3] J. Dobrzański: Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali
dla energetyki. Open Access Library, Volume 3, 2011.
[4] A. Hernas, J. Dobrzański: Trwałość i niszczenie kotłów i turbin parowych, Monografia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2003.
[5] J. Taler: Procesy cieplne i przepływowe w dużych kotłach
energetycznych. PWN 2011.
[6] Materiały reklamowe firmy STEAG.
3 / 2014 [10]
61