Theo dõi trực tuyến cánh tuabin khi máy đang hoạt động hết công suất

Tuyến khói nóng của tuabin khí công nghiệp Siemens kiểu SGT6-5000F

Hệ thống chụp ảnh bằng tia hồng ngoại do Siemens triển khai cung cấp những hình ảnh chưa từng có về cánh tuabin khí đang quay.

 

 

Tuabin khí ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành điện. Những loại máy cải tiến làm việc ở chế độ chu trình hỗn hợp có thể phát điện với hiệu suất gần 58%. Thế hệ tiếp theo thậm chí sẽ còn vượt quá mốc hiệu suất 60%. Để đạt được những con số đầy ấn tượng này, phải nâng nhiệt độ qui trình lên càng cao càng tốt. Đây quả là một thách thức thực sự bởi lẽ đặc tính vật liệu chính là yếu tố hạn chế qui trình. Đối với các tuabin khí thế hệ hiện nay, người ta phải áp dụng một chiến lược thiết kế rất phức tạp huy động đổng thời nhiều biện pháp khác nhau để bảo vệ những chi tiết bộ phận của tuyến khói nóng chịu tác động nặng nề nhất (xem Hình 1), cụ thể là các cánh hướng và cánh tuabin tầng thứ nhất

Các biện pháp phối hợp này bao gồm việc lựa chọn đúng các hợp kim chịu nhiệt, làm mát hiệu quả kết cấu kim loại của các cánh hướng và cánh tuabin, và lớp cách nhiệt – thường gọi là lớp phủ ngăn nhiệt (thermal barrier coating  TBC) – để bảo vệ các thành phần kim loại khỏi tác động nhiệt trực tiếp của khói nóng.

Mặc dầu đã nỗ lực như vậy, tuổi thọ của cánh hướng và cánh tuabin bao giờ cũng ngắn hơn nhiều so với tuabin khí. Trong thời gian tuổi thọ vận hành của máy, bao giờ cũng phải thay thế chúng vài lần. Hiện nay đã có một số thuật toán sử dụng để tiên đoán thời điểm thích hợp để thay thế bằng cách sử dụng số giờ vận hành tương đương, căn cứ vào quá trình vận hành máy. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng những phương pháp tính toán đơn giản này mang tính ít nhiều ước lượng bởi lẽ không thể tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện thực tế của các bộ phận tạo thành nằm trên tuyến khói nóng. Do vậy vẫn có khả năng xảy ra, dù là nhỏ, một số cánh tuabin hoặc cách hướng đơn lẻ có thể phải sửa chữa trước thời điểm thay thế theo lịch biểu.

Trong số ba biện pháp nhằm đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho các chi tiết bộ phận (lựa chọn vật liệu, làm mát và lớp phủ ngăn nhiệt) thì biện pháp thứ ba chịu tác động nhiều nhất của hiện tượng mài mòn bởi lẽ đây là lớp phủ gốm phun trên bề mặt các cánh hướng và cánh tuabin bằng siêu hợp kim (superalloy). Hiện tượng xuống cấp lớp phủ ngăn nhiệt (TBC) được đặc trưng bởi hiện tượng hư hại do va đập, thiêu kết ăn mòn và oxy hoá. Các yếu tố này làm hoá giòn, mất dính kết và nứt vỡ (spallation) khiến lớp cách nhiệt trở nên kém hiệu quả hoặc thậm chí bị rụng ra. Cuối cùng bề mặt kim loại mất đi lớp bảo vệ, có thể khiến bộ phận cấu thành không thể sửa chữa hồi phục được nữa.

Theo dõi các bộ phận cấu thành này là cực kỳ khó khăn, đặc biệt đối với lớp phủ ngăn nhiệt khi máy đang hoạt động bởi vì nhiệt độ và áp suất khói nóng là rất cao (cỡ 1.400oC, ở cấp áp suất hệ thống 15 bar), và tốc độ quay của cánh tuabin cũng rất cao (đối với cánh tầng 1, tốc độ đầu cánh là khoảng 390 m/s).

Các bức ảnh nhiệt chưa từng có

Năm 2000, Chi nhánh ở Mỹ của Siemens Power Generation, trước đây mang tên Siemens Westinghouse Power Generation đã xây dựng phương pháp mới về theo dõi các bộ phận cấu thành hết sức quan trọng này của tuabin khí khi máy đang vận hành đầy tải bằng cách kết hợp máy ảnh hồng ngoại tốc độ cao với hệ thống quang học được làm mát cho phép soi vào trong ruột tuabin, nhờ đó có thể nhận được hình ảnh nhiệt của các cánh tuabin đang quay.

Người ta đã xác định được rằng bức xạ nhiệt từ các cánh tuabin nóng đỏ có năng lượng đủ lớn để máy ảnh hồng ngoại có thể chụp được những hình ảnh này. Hiện nay có thể mua những máy ảnh hồng ngoại có thời gian chụp cực kỳ ngắn, cỡ một phần triệu giây. Do vậy trở ngại về tốc độ quay nhanh của cánh tuabin đã được khắc phục, cánh tuabin chụp được hầu như đứng im, nếu không ảnh thu được sẽ bị nhoè.

Hệ thống giám sát

Đối với máy ảnh này, thu được hình ảnh với tốc độ cao như vậy là chuyện dễ dàng, nhưng con người cần thêm nhiều sự trợ giúp khác.

Do vậy, người ta cũng đã phát triển hệ thống phần mềm giám sát nhằm: quay đúng hướng chụp và trình bày hình ảnh các bộ phận hợp thành; cho hoạt động và khống chế các chức năng theo dõi; và tiếp cận các thuật toán tuổi thọ để mô tả hư hại sắp xảy ra.

Hình 2 giới thiệu các phân hệ chính và điều kiện vận hành thực tế

Ngay từ đầu, người ta đã xác định là phải có thể kết hợp hệ thống theo dõi mới này vào cơ sở hạ tầng theo dõi từ xa trên toàn cầu hiện có của công ty Siemens Power Generation. Hệ thống phải cho phép vận hành từ xa và tự động đánh giá các hình ảnh bằng cách quan sát và so sánh trực tiếp với các ảnh trước đây của cùng một bộ phận hợp thành. Cũng làm sao để có thể tự động gửi báo cáo, kể cả hình ảnh và phần phân tích tới một trong các trung tâm theo dõi Chẩn đoán điện lực (Power Diagnostics – PDC) của công ty (xem Hình 3).

Một yêu cầu quan trọng nữa đối với hệ thống giám sát, mang tên BladeInspector (Kiểm tra cánh tuabin), đó là hệ thống phải có khả năng cho phép người vận hành lựa chọn lên ảnh theo thời gian thực bất cứ (những) cánh nào mà họ quan tâm. Ngoài ra việc bấm máy cần có đủ độ nhạy để tạo ra những góc nhìn đa dạng khác nhau về cánh tuabin đang quay nhằm nhận được lượng thông tin tối đa.

Về các chức năng đánh giá ảnh hồng ngoại, các chức năng này có thể truy cập từ xa, hệ thống có khả năng liên lạc với hệ thống thu thập dữ liệu tiêu chuẩn sử dụng để dõi từ xa theo Power Diagnostics (Chẩn đoán điện lực), mang tên WIN_TS. Từ đó, BladeInspector nhận được các dữ liệu đo lường bổ sung cụ thể về điều kiện vận hành của máy, ví dụ như công suất điện đầu ra và nhiệt độ khói thải. Thêm nữa, BladeInspector đánh giá tất cả các hình ảnh hồng ngoại nhận được và gửi các hình ảnh chọn lọc và kết quả đánh giá cho hệ thống WIN_TS, hệ thống này sau đó truyền các gói dữ liệu và các dữ liệu theo dõi từ xa khác về các trung tâm Chẩn đoán điện lực để tiếp tục đánh giá và lưu giữ ở trung tâm (tư liệu về trạng thái cánh tuabin).

Xác nhận ý tưởng thiết kế

Đề xuất triển khai của Siemens Power Generation đã được Bộ Năng lượng Mỹ quan tâm và đồng bảo trợ dự án này từ năm 2001 đến năm 2005. Sau khi giai đoạn ý tưởng thiết kế được hoàn thành vào năm 2001, việc thiết kế hệ thống được phân thành một số nhiệm vụ thiết kế cụ thể:

· Các cổng tiếp cận trên máy (các góc nhìn khác nhau đối với các cánh tuabin tầng 1 và 2).

· Hệ thống quang học.

· Vỏ bọc máy ảnh, bao gồm cả hệ thống làm mát.

· Hệ thống giám sát (BladeInspector).

Công việc thiết kế và chế tạo các bộ phận hợp thành thực sự bắt đầu vào năm 2002 và 2003. Để thực hiện hệ thống giám sát và đặc biệt để phát triển năng lực đánh giá tự động ảnh, Siemens Power Generation đã liên kết với Siemens Corporate Research, chi nhánh ở Mỹ của Siemens Corporate Technology.

Phần lớn các hệ thống và bộ phận hợp thành riêng lẻ đều được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhưng chỉ đến khi lắp đặt trên tuabin thực mới có thể khẳng định được toàn bộ hệ thống bằng cách chứng minh rằng có thể nhận được những hình ảnh rõ nét của một phần lớn chiếc cánh tuabin khí tầng 1 khi máy đang vận hành đầy tải. Để xác nhận ý tưởng thiết kế, toàn bộ hệ thống với tất cả các bộ phận hợp thành đã được lắp đặt từ trước trên máy tuabin khí tĩnh tại công suất 200 MW, tần số 60 Hz tại Trung tâm thử nghiệm tuabin khí Siemens tại Berlin, Đức.

Hình 4 nêu cách bố trí máy ảnh và hệ thống quang học.

Những hình ảnh đầu tiên nhận được vào ngày 27/1/2004, khi máy làm việc non tải, chất lượng đạt được cao hơn dự kiến. Thậm chí có thể nhận ra rõ ràng các lỗ làm mát trên cánh, đường kính chỉ nhỉnh hơn 1 mm. Vài ngày sau, người ta tiến hành một thử nghiệm khác trên máy, lần này máy được cho làm việc với tải tối đa.

Ảnh bên phải của Hình 5 là ảnh chụp hồng ngoại trong quá trình thử nghiệm đầy tải.

Cánh tuabin đặc biệt bởi vì lớp phủ ngăn nhiệt (TBC) tại mép trước cánh đã được cạo bỏ với mục đích nhận diện cánh. Điều này có thể thấy rõ trên ảnh, như vậy chứng tỏ rằng:

· Hệ thống có thể phát hiện hiện tượng nứt vỡ lớp TBC.

· Cơ cấu lựa chọn, nhận diện cánh tuabin và cơ cấu bấm máy hoạt động tốt.

Sau khi thử nghiệm thành công thiết kế chung và sự hoạt động của hệ thống tại xưởng ở Berlin, nhóm triển khai chuyển sang máy tại hiện trường bởi vì tuabin ở Berlin mỗi lần chỉ có thể vận hành được vài giờ. Thử nghiệm tính năng dài hạn của hệ thống theo dõi hiện đại này chính là bước tiếp theo hợp lôgich tiến tới việc phát triển một sản phẩm làm việc tin cậy, lâu bền. Người ta đã chọn một nhà máy điện đang vận hành thương mại tại miền Trung Tây nước Mỹ cho mục đích này.

Khác với các thử nghiệm tại Trung tâm thử nghiệm Berlin ở đó người ta chỉ lắp đặt hai cổng máy ảnh cho tầng cánh 1, tuabin tại nhà máy điện này còn được lắp thêm cổng máy ảnh thứ ba để kiểm tra cánh tuabin của tầng cánh 2 (xem Hình 6).

Thông tin theo thời gian thực về vận hành

Hệ thống theo dõi cánh tuabin cho đến nay đã vận hành tại nhà máy điện này trên 7.000 giờ, cung cấp thông tin theo thời gian thực về tình trạng cánh tuabin. Trong thời gian này, ngoài những hư hại thực tế của lớp phủ TBC, cũng có thể quan sát được thậm chí cả những đặc điểm mang tính cục bộ của cánh tuabin, cụ thể như hiệu quả của các lỗ làm mát, đặc trưng của khe hở máy, và phân bố chế độ làm mát kiểu màng mỏng (thin film cooling).

Khả năng thu thập thông tin chi tiết về tính cách hoạt động (behavior) của cánh tuabin khi tuabin đang làm việc không chỉ đem lại lợi ích cho việc vận hành máy mà còn thu hút sự chú ý của các kỹ sư thiết kế. Trong các giai đoạn phát triển hệ thống, trên cơ sở thông tin liên lạc thường xuyên giữa các kỹ sư thiết kế và các kỹ sư vận hành, có thể thấy rõ là người ta rất quan tâm tới việc định cỡ các ảnh chụp hồng ngoại dùng cho các phép đo nhiệt độ.

Các phép đo nhiệt độ hai chiều sẽ vượt xa những phương pháp tiên tiến nhất hiện nay mà đại diện là phương pháp đo bằng hoả kế và thử nghiệm sơn.

Các nỗ lực nhằm hiểu rõ hơn về nhiệt độ bề mặt cánh tuabin được bắt đầu ngay sau khi hoàn thành công trình triển khai hệ thống theo dõi trực tuyến cánh tuabin do Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ.

Máy ảnh hồng ngoại, so với phép đo một chiều bằng hoả kế, có ưu điểm rõ ràng, đó là sự thể hiện trong không gian. Hệ thống mới này cho phép xác định một cách chính xác và tin cậy vị trí của điểm đo trên bộ phận cấu thành bởi vì vị trí hình học có thể nhận ra được bằng mắt. So với phương pháp thử nghiệm sơn, loại thử nghiệm cho giá trị đỉnh yêu cầu phải lắp vào tháo ra, theo dõi trực tuyến có thể lặp lại các phép đo tại bất kỳ chế độ làm việc mong muốn của máy, và cũng không ảnh hưởng  tới phương thức vận hành và độ khả dụng, độ chính xác lại cao hơn.

Về mặt ưu điểm đối với người thiết kế, một khi đã lập được bản đồ nhiệt độ hai chiều đối với các chế độ làm việc khác nhau của máy, người kỹ sư thiết kế có thể sử dụng bản đồ nhiệt độ này để kiểm tra kết quả mô phỏng bằng số và tối ưu hoá phần thiết kế cũng như các qui tắc lập mô hình.

Sau khi xem xét lại các công trình đã công bố trong lĩnh vực ước lượng nhiệt độ cánh tuabin và một số thí nghiệm trong phòng bổ sung, người ta đã triển khai một phương pháp cụ thể để suy ra phân bố nhiệt độ hai chiều nhờ máy ảnh hồng ngoại.

Các thuật toán liên quan được tích hợp vào phần mềm BladeInspector, cùng với các trình tự hiệu chuẩn. Việc ước tính nhiệt độ tuyệt đối và tương đối có thể nhận được trên cơ sở các dữ liệu hiệu chuẩn và có thể thể hiện bằng hình ảnh theo thời gian thực trong khi máy đang vận hành.

Biểu đồ nhiệt độ

Hình 7 thể hiện biểu đồ đẳng nhiệt của cánh ở những góc nhìn khác nhau khi máy mang tải 190 MW.

Phần trên của hình vẽ là hình ảnh hồng ngoại nguyên thuỷ của cánh (thang màu xám) và vị trí của cánh so với các cánh tuabin khác (bên phải là ảnh chụp bằng ánh sáng nhìn thấy được). Phần dưới là các hình ảnh nhiệt độ 2D cũng của cánh đó với các trường nhìn và bước màu nhiệt độ khác nhau (đẳng nhiệt).

Nhiệt độ tại một điểm cụ thể trên cánh có thể tìm được bằng cách dịch chuyển con trỏ màu lá cây trên ảnh tới miền mong muốn. Điều này cho phép so sánh nhiệt độ bề mặt của một cánh tuabin duy nhất (ví dụ mép trước) và thậm chí so sánh sự thay đổi nhiệt độ giữa cánh nọ với cánh kia ở những vị trí cụ thể.

Hình 8 thể hiện một trong những ảnh hồng ngoại trên hình 7 đã được tô màu với thang màu /chênh lệch nhiệt tương ứng.

Cần lưu ý rằng phương pháp đo nhiệt độ hai chiều (2D) trình bày ở trên chỉ là cách tiếp cận đầu tiên và có thể mở rộng theo nhiều cách. Tuy nhiên những thử nghiệm đầu tiên trên máy thực đã cho kết quả đầy hứa hẹn, độ phân giải theo không gian và nhiệt rất gây ấn tượng.

Hình ảnh dựa trên việc ước lượng nhiệt độ bề mặt cánh tuabin mở ra nhiều triển vọng bởi vì nó có thể giúp tạo nên vòng khép kín giữa các công cụ thiết kế, ví dụ như phép mô phỏng phần tử hữu hạn, và đặc tính thực tế của bộ phận hợp thành khi máy đang vận hành vì đem lại những năng lực kiểm tra tốt hơn rất nhiều. Trước đây, người ta chưa thể có được thông tin phản hồi rõ rệt như vậy theo thời gian thực từ những bộ phận quan trọng nhất của một tuabin khí đang vận hành. Có được công nghệ này không những có thể kiểm tra những điều đã giả định khi thiết kế mà còn có thể so sánh và đánh giá các cách tiếp cận mới theo thời gian thực ở những chế độ vận hành khác nhau của tuabin. Những khả năng này trong đo lường có thể sẽ giúp cải tiến và tối ưu hoá hơn nữa công nghệ tuabin khí.

Nhìn xa hơn nữa trong tương lai, đối với những khách hàng sống bằng công việc vận hành tuabin khí, việc mua hệ thống loại này hoặc việc ký hợp đồng theo dõi tuabin sử dụng công nghệ này cũng mang lại lợi ích đáng kể. Nhận được những thông tin tin cậy về những bộ phận thiết yếu của máy sẽ mang lại những lợi thế lớn, không chỉ trong việc xác định thời gian chính xác để ngừng máy theo kế hoạch (bảo dưỡng theo tình trạng thực tế) mà còn là một hình thức bảo đảm tránh được những sự cố không thể lường trước được.

Trên đường thương mại hoá

Hệ thống mới này vẫn còn cần được tiếp tục hoàn thiện để từ một dự án nghiên cứu triển khai trở thành sản phẩm hoàn chỉnh. Tuy nhiên, với trên 7.000 giờ làm việc, chúng ta có thể hy vọng hệ thống sẽ sớm được chào bán trên thị trường.

Leave a Reply

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *