Förbättrad tillgänglighet med datorbaserad vibrationsmätning

av Björn Bärnheim Forum 1982-06, sida 22-23, 31.03.1982

Förbättrad tillgänglighet med datorbaserad vibrationsmätning

Hög driftsäkerhet och tillgänglighet för produktionsutrustningar är idag ett av industrins högsta önskemål. Dagens investeringar är avancerade och kostnadskrävande. Ett ofrivilligt produktionsstopp medför därför ofta mycket stora kostnader.

Stora maskiner med roterande delar har en för varje individ karaktäristisk vibrationsbild. Stal-Laval Turbin Ab i Sverige har utvecklat ett avancerat datorbaserat system för vibrationsövervakning.

9 Svenska Stal-Laval Turbin Ab i Finspång (SLF) har lång erfarenhet av bl a a turbiner. Den första tillverkades och levererades redan på 1890-talet av föregångaren de Leval Angturbin. SLF har nu utvecklat ett avancerat datorbaserat system för vibrationsövervaknin 2 i samband med idrifttagning av nya installationer. Det mäter och kontrollerar vibrationerna och ger automatiskt larm när registrerade mätdata avviker från förutbestämda toleranser. Systemet kan tillämpas på alla typer av roterande maskiner.

— Det här systemet är ett resultat av en mångårig insats inom den teoretiska rotordynamiken och av våra praktiska erfarenheter, säger tekn dr Leif Nilsson, chef för SLF:s avdelning för teknisk utveckling.

— Intresset för förbättrad vibrationsövervakning har ökat — hos kanske främst kraftproducenterna — runt om i världen. Skälen till detta är många, men ytterst är det natruligtvis fråga om att öka driftsäkerheten och tillgängligheten. Dels genom att se till att maskinen stoppas innan fatala skador uppstår och dels att skaffa rationella metoder för feldiagnoser.

Det datorbaserade Turbine Vibration Monitoring System (TVM-systemet) ger fördelar inom framför allt tre områden — ökning av den primära säkerheten genom tidigt upptäckt av begynnande skador

TVM-systemets utrustning fordrar inga större utrymmen och är lättöverskådligt.

— höjd tillgänglighet genom längre intervaller mellan inspektioner och kortare effektivare avställningstide — lägre underhållskostnader genom minskad förslitning av t ex lager och lagerbockar då vibrationsnivån kan hållas nere på ett minimum.

TVM-systemet är uppbyggt kring en minidatorbaserad hårdvara och en programvara baserad på SLF:s erfarenheter inom rotordynamiken samt Tre Konsulter AB:s Vaxholm (3K), erfarenheter av datorer och signalanalys. I takt med att beräkningsmetoderna har förbättrats så har också kraven på mätningarna ökat, både vad gäller antalet mätpunketr och noggrannheten.

TVM-systemet har i sin nuvarande utforming två huvudfunktioner: Snabbmätning med lagring av data på flexskiva för senare utvärdering alternativt kontinuerlig övervakning med larmfunktioner.

Det som är unikt med SLF:s TVM-system är att man tittar på den vektoriella vibrationsändringen. Man betraktar vibrationen på rotorn som en vektor. Andra mätsystem tittar bara på absolutnivån hos vibrationens amplitud.

Men även om amplituden är ganska konstant så kan en stor fasvridning av vektorn ge indikering om begynnande skador.

Vidare övervakas både den frekvens hos vibrationssignalen som är synkron med rotorns varvtal och den som har frekvensen lika med dubbla rotorns varvtal. För att inte missa någon information kontrolleras dessutom signalens RMS-värde mot summan av de ovannämnda komponenterna. Om avvikelse finns ger systemet larm och man kan enkelt få det kompletta frekvensspektrumet för givaren ifråga för kontroll av vilken frekvens som kommit till.

Vibrationsnivån kan också ändrasig av andra orsaker än begynnande skador. Driftparametrar som t ex ändring av aktiv eller reaktiv effekt, lageroljetemperaturen eller kylvattentemperaturen kan påverka vibrationsnivån. Systemet registrerar även dessa parametrar och man kan vid utvärderingen ta hänsyn

Forum 6/82

På TVO:s kärnkraftverk på Olkiluoto finns TVM-systemet sedan några år tillbaka för vibrations övervakning av turbinerna och generatorerna.

till sambandet med deras förändring om så är fallet.

Till TVM-systemet kan olika typer av vibrationsgivare anslutas. SLF använder huvudsakligen två typer, seismiska hastighetsgivare för mätning på lagerhus i horisontell och vertikal riktning samt sk beröringsfria givare av virvelströmstyp för mätning av rotorns utslag.

De analoga givarsignalerna bearbetas i signalbehandlaren i grupper om 8 stycken parallellt. För att undvika s k vikningsfrekvenser vid analog-digitalomvandlingen passerar signalerna ett lågpassfilter innan deras ögonblicksvärden (”samples”) mäts samtidigt med en

Vibrationsamplitud

E hastighet av 16 mätningar per rotorvarv.

Dessa 8 värden hålls så länge att de hinner omvandlas till digital form innan de matas in i datorn för vidare bearbetning. Därefter tas nya värden tills rotorn har fullbordat ett eller flera varv, då nästa grupp om 8 mätsingnaler kopplas in och förloppet upprepas tills samtliga kanaler registrerats.

Genom att så många som 8 kanaler registrerats samtidigt kan man försäkra sig om samhörande värden för till exempel alla givare på en rotor.

Mätningen styrs av rotorns varvtal, vilket ger stora fördelar vid senare

Efter skovelbrott Före skovelbrot —— tid

Det unika med TVM-systemet är att det mäter den vektoriella vibrationsförändringen. Även om amplituden ligger på en ganska konstant nivå så kan den vektoriella förändringen indikera att något håller på att hända.

Detta illustreras i ovanstående diagram som visar ett exempel på vibrationsförändringen vid ett skovelbrott i en ångturbin. Den ”förlorade" massan är liten relativt rotorn, men ändå ger den en klar förändring i vibrationsbilden.

Även om vibrationsförändringen är läsbar i det vänstra diagrammet så ä 20 10 o 10 20 p både ändringen och absolutnivån hos amplituden så låg att en konventionell övervakning inte skulle ge något larm.

TVM-systemet ger däremot omedelbart larm, eftersom vibrationen efter brottet hamnat utanför den cirkelformade larmgränsen. Den långsamma trendövervakningen ger möjlighet att notera gradvisa förändringar, tex vid växande rotorsprickor, i vibrationsnivåer som observerade under loppet av ett dygn kan förefalla både låga och stabila.

Forum 6/8 behandling av mätdata. Systemet arbetar så att det analyserar mätvärdena direkt i reell tid och utvärderar de intressanta storheterna, bland annat fas och amplitud. De utvärderade analyserade värdena jämte ett antal driftparametrar lagras i minnet. Därigenom har man också kunnat hålla nere mängden data som lagras.

Genom assemblyprogrammering har datorn pressats för att hinna med. Dess mäthastighet är 25 kanaler per sekund inklusive analys och lagring, Detta höga hastighetskrav beror på att en större kraftverksturbin bör ha omkring 50 stycken givare och att mätningen bör ske ungefär varannan sekund för att kartlägga en resonans vid normal upp- eller utrullning.

Eftersom mätningen styrs av rotorns varvtal — normalt 3 000 varv per minut — erfordras en mätsignal som ger en puls per rotorvarv. Den erhållna signalen används till tre funktioner — styrning av samplinge — mätning av varvtale — referens för fasmätningar

Under övervakningsskedet kan analyserade värden presenteras på bildskärm. Förutom översiktsbild kan man via manöverpanelen välja ett antal olika förhandsvalda s k ”set-ups”.

Hur en övervakning normalt går till beskriver civ.ing. Bo Iacobson, chef för dator- och mätteknik inom SLF:s avdelning för teknisk utveckling, på följande sätt — Man har olika s k set-ups för olika körförhållanden. Vid uppkörning av turbinen till 3000 varv per minut använder man sig av snabbmätningen. Då gäller det att få tätt med data som kan vara mycket värdefulla om det skulle hända något ”onormalt”.

— Vid uppnått fullt varvtal och efter pålastning låter man larmfunktionerna träda in. Då har maskinen stabiliserat sig och systemet går över i sin normala övervakande funktion. Man mäter då 50 stycken kanaler på 10 sekunder.

— På bildskärmen lägger man upp en översiktsbild där man har en god överblick över hur givarnas nivåer ligger i förhållande till tillåten nivå. Bland annat räknar datorn fortlöpande ut trenden hos vibrationen, den vektoriellla förändringen.

— Datorn tittar först på en längre period, till exempel 10 dagar, och sedan på en kortare tidsperiod t ex en timme, på samma sätt. Jämförelsevärdena hämtar den från en 8 k past-historybuffert som hela tiden uppdateras i datorns primäminne. Så fort något av de larmkriterier som finns inlagda, t ex nivå, trender etc, utlöser larm syns det p (forts. sid 29 23