Краткий обзор сегодня многие гидроэлектростанции сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с внезапным появлением опасных трещин в ключевых компонентах гидротурбин. Это особенно верно для больших гидравлических агрегатов

5 Описание предлагаемой системы прогнозной аналитики
В настоящее время имеются все предпосылки для решения задачи индивидуальной оценки остаточного ресурса по критерию времени возникновения усталостных трещин:

• 
  фундаментальные теоретические исследования в области гидроэнергетики;
  
• 
  значительный опыт в проектировании и эксплуатации гидравлических турбин;
  
• 
  обширная экспериментальная база модельных и натурных испытаний;
  
• 
  база данных материаловедческих исследований и определения физико-механических характеристик материалов с учетом старения и воздействия внешних агрессивных факторов;
  
• 
  аналогичные разработки в смежных отраслях промышленности и энергетике;
  
• 
  мощные вычислительные технологии, основанные на 3D-моделировании пространственных стационарных и нестационарных процессов при решении междисциплинарных задач;
  
• 
  современные высокопроизводительные компьютерные технологии;
  
• 
  цифровизация процессов управления гидроэнергетикой.
  

Предлагаемое решение представляет собой систему прогнозной аналитики (PAS) для гидравлических турбин для прогнозирования возникновения и роста опасных эксплуатационных трещин с точки зрения усталостного повреждения. PAS реализует аналитический подход к определению предельного состояния по критериям усталости для различных комбинаций режимов работы. Приложение предназначено для автоматизированной онлайн-оценки и долгосрочного сценарного прогнозирования срока службы ГТ (10 лет и более) в реальных условиях ГЭС с учетом влияния эксплуатационных факторов, включая работу в непроектных режимах.
Система разрабатывается как удобный и эффективный инструмент, дополняющий функциональность существующих диагностических или прогностических систем для оценки технического состояния с точки зрения раннего обнаружения усталостных трещин в дорогостоящих, трудно заменяемых компонентах двигателя (например, направляющих и валах).
Предлагаемая прогностическая система выполняет следующие функции:

• 
  расчетное определение срока службы отработанного НТ с учетом фактических режимов работы в HP, включая время работы в различных рабочих зонах, изменения рабочих параметров во время рабочих процессов, запусков и остановок, работы в режимах без нагрузки и вне проекта;
  
• 
  долгосрочное прогнозирование параметров срока службы при фактических условиях эксплуатации в HP на период не менее 10 лет.
  

Предлагаемая прогностическая система позволяет:

• 
  онлайн-сравнительный анализ различных сценариев для планирования режимов работы гидроагрегата с точки зрения его срока службы;
  
• 
  для управления сроком службы HT путем выбора наиболее оптимальных сценариев использования оборудования;
  
• 
  для уменьшения влияния человеческого фактора;
  
• 
  для повышения повторяемости результатов при экспертных оценках срока службы;
  
• 
  привлекать к оценке технического состояния и срока службы широкий круг специалистов, не являющихся экспертами в области прочности и долговечности, например, сотрудников планово-технических отделов ГЭС или управляющих компаний.
  

Технология прогнозирования PAS представлена на рис. 3. Предлагаемое решение основано на принципе “слабого звена” для определения критических точек, определяющих срок службы HT в целом. Универсальный прогностический алгоритм основан на аналитическом подходе к оценке и прогнозированию срока службы по критерию усталостной прочности (накопленный ущерб) на основе SN-кривых с учетом частичного вклада каждого режима эксплуатации. Алгоритм прогнозирования подходит для всех типов и конструкций гидравлических турбин. Все индивидуальные особенности HT учитываются индивидуальной цифровой моделью. Предлагаемое решение переносит все трудности на разработку индивидуального модуля, который отражает информацию о напряженном состоянии компонентов турбины при каждом режиме работы во всем рабочем диапазоне. Эти данные извлечены из результатов многомерного мультидисциплинарного моделирования для 3D-цифрового изображения гидравлической турбины (см. рис. 3). В процессе работы система объединяет индивидуальную цифровую модель с универсальным алгоритмом прогнозирования и формирует конечный результат в виде расчетного значения фактически отработанного и остаточного ресурса в критических точках с учетом принятых для расчета коэффициентов режима. Остаточный срок службы определяется остаточным повреждением - разницей между допустимым и фактическим значениями повреждения.
Особенностью предлагаемого подхода является использование отдельных цифровых моделей матричного типа. В отличие от динамических 3D-моделей, действующих в непрерывном режиме, которые в настоящее время широко используются в качестве цифрового двойника объекта, цифровая модель матричного типа позволяет значительно сократить вычисления в онлайн-режиме. Отдельный модуль представляет собой n-мерную матрицу реакций оборудования на внешние воздействия в различных рабочих точках. Размерность матрицы определяется количеством критических точек, количеством рабочих точек, количеством характерных частот возмущений, а также количеством необходимой дополнительной информации (коэффициенты кривой усталости в зависимости от количества циклов нагрузки, остаточные напряжения, предел прочности материала и т.д.) для каждой критической точки.


Индивидуальные цифровые модели матричного типа для разных гидравлических турбин имеют одинаковую структуру, но разные значения в ячейках матрицы. Принимая во внимание тип и конструктивные особенности турбины, некоторые ячейки могут быть незаполненными, например, в зависимости от количества рабочих лопаток или количества диапазонов режимов. Цифровая модель матричного типа используется по принципу “заменяемого блока”: универсальный алгоритм прогнозирования ссылается на определенные ячейки матрицы, содержащие необходимую информацию, относящуюся конкретно к конкретной гидротурбине. Универсальный алгоритм прогнозирования остается неизменным для оценки срока службы другой гидравлической турбины, требуется заменить только индивидуальную цифровую модель матричного типа.
Наиболее статически и динамически нагруженные зоны выбираются в качестве критических точек в различных компонентах HT, в том числе на всех рабочих лопатках, на угловых переходах и отверстиях вала, в сварных швах несущих конструкций и т.д. Количество критических точек зависит от конструкции HT и будет отличаться для разных типов устройств.
Каждая режимная точка определяется мощностью и напором гидроагрегатов. Для этого весь рабочий диапазон разделен на поддиапазоны с точки зрения мощности и напора. Шаг разделения на поддиапазоны выбирается индивидуально для каждой конструкции устройства таким образом, чтобы изменение реакции устройства на внешние воздействия в пределах выбранного поддиапазона было незначительным. Кроме того, выделена SNL-модель, работа в режиме синхронного компенсатора (если имеется), режимы запуска/выключения.
Индивидуальная цифровая модель разрабатывается отдельно для каждой гидротурбины, в автономном режиме, на основе анализа имеющейся технической документации, экспериментальных данных, многомерных расчетов с использованием численного моделирования механических и гидродинамических процессов в элементах гидротурбины и другой доступной информации. Очевидно, что отдельный модуль будет существенно отличаться для разных турбин.
Фрагмент индивидуальной цифровой модели матричного типа для двух критических точек и фиксированного значения напора представлен в таблице 1. Модель была разработана для турбины Фрэнсиса мощностью 240 МВт. Основные технические параметры установки представлены в таблице 2. В качестве ответов использовались статические σm и динамические σa компоненты напряжения (МПа). Динамические напряжения приведены с разделением в соответствии с характерными частотами возмущений: fv = 1,62 Гц – частота вихревого движения каната, fr = 2,08 Гц – частота вращения, fRSI = fr ⋅ Zg = 49,9 Гц – частота взаимодействия ротора и статора (RSI), Zg – количество направляющих лопаток. Ответы рассчитываются для каждой точки режима.
Критические точки в таблице 1 соответствуют зонам действия максимальных напряжений в направляющей (в идентичных точках на двух разных лопатках): зоне соединения задней кромки лопатки и венца направляющей со стороны давления. Как показывает опыт, эти зоны наиболее подвержены растрескиванию [12,15,20,31]. Расположение критической точки на лопасти Френсиса показано на рис. 4.

На рис. 4 показано распределение составляющей статического напряжения в рабочем колесе на BEP от действия центробежных и гидравлических сил на примере мощной вертикальной турбины Фрэнсиса (см. технические параметры в таблице 2). Расчеты проводились с использованием вычислительной 3D-модели бегуна с конечными элементами и программного обеспечения ANSYS 2020 R1. Гидравлические усилия задаются с помощью поля давления на стороне давления лопастей, изменяемого как по радиальной координате, так и по высоте лопасти. Расчетное давление является результатом решения гидродинамической задачи протекания через лопасти в условиях BEP. Чтобы продемонстрировать характер распределения напряжений, достаточно использовать упрощенную модель элементов оболочечного типа, представленную на рис. 4, с соответствующей кривизной и толщиной в каждой точке для направляющих лопаток, ленты и венца. Однако для построения индивидуальной цифровой модели необходимо использовать уточненную модель элементов сплошного типа с точным моделированием скруглений в зонах соединений лопатка-коронка и лопатка-бандаж, взаимодействий ротор-статор и жидкость–структура, остаточных сварочных напряжений и т.д.
Важно отметить, что, несмотря на циклически симметричную конструкцию направляющей, локальные напряжения в идентичных точках не будут одинаковыми (см. таблицу 1), поскольку реальная направляющая всегда имеет технологические отклонения от идеальной геометрии, идеальных свойств материала, идеальных технологий сварки. Наибольшее влияние на фактическое распределение локальных напряжений оказывают угол наклона лезвия, толщина задней кромки, радиус скругления и уровень остаточных напряжений в зоне, где лезвие приварено к коронке и ленте. Кроме того, на напряженно–деформированное состояние в критических точках дополнительно влияют повторяющиеся ремонтные операции, например, для устранения кавитации и механических повреждений, возникающих при длительной эксплуатации HT. На практике дисперсия может быть весьма значительной, как вы можете видеть на диаграммах напряжений для двух лопастей одного рабочего колеса на рис. 5 (согласно таблице 1).



Рисунок 6 – Распределение срока службы по различным режимам работы для базового и пикового сценариев.