VGB POWERTECH 7 (2020) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

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Optimierte Instandhaltungsstrategien in der thermischen Abfallverwertung VGB PowerTech 7 l 2020 Überwachung Lagerschwingungen des Saugzuggebläses Durch KPIs werden die Lagerschwingungen des Saugzuggebläses eines abfallbefeuerten Dampferzeugers überwacht. Am 1. September 2018 veränderte sich das Schwingungsverhalten, wobei die Schwingungen deutlich über den erwarteten Werten liegen. (B i l d 5 ) Nach Analyse weiterer Prozessparameter erkannte man eine höhere Rauchgas-Feuchte und Staubbeladung, die zu vermehrten Ablagerungen auf dem Laufrad des Gebläses führen können. Es wurde festgelegt, dass genauere Untersuchungen vorgenommen werden sollten, falls sich die Schwingungen nach den anstehenden Sprengreinigungen nicht normalisieren. Ende Dezember 2018 verringerten sich jedoch die Schwingungen, worauf das Überwachungsprogramm den Alarm beendete. Vorsorglich wurde der Saugzug beim nächsten Stillstand gereinigt und kontrolliert. Bild 6. Auszug Heatmap: Die Messstellen sind auf der horizontalen und der Zeitraum auf der vertikalen Achse dargestellt. Je stärker die Abweichungen, desto intensiver ist die Blaufärbung zum betrachteten Zeitpunkt. Überwachung einer Turbine mithilfe von Machine Learning Bei einem Turbosatz einer Turbine analysierte man über einen Zeitraum von Anfang 2015 bis Oktober 2018 insgesamt 170 Einzelwerte mit SR::SPC ML. Entdeckte Auffälligkeiten sind in B i l d 6 als Ausschnitt aus der Heatmap dargestellt. Während der Analyse wurden Auffälligkeiten an 16 Messwerten erkannt, die ab Mai 2017 große Abweichungen vom Normalbetrieb aufwiesen. Eine Erkenntnis aus der Analyse ergab, dass sich nach einer Revision im Jahre 2017 eine thermische Verschiebung in den Generatorlagern einstellte, wobei sich die Temperatur eines Lagers um 10 K erhöht hatte. Außerdem vergrößerte sich die Wellenschwingung eines HD-Lagers der Turbine um das Dreifache. Nach etwa elf Monaten stiegen die Temperatur und die Schwingung des Generatorlagers erneut rapide an. Wenig später fiel der Generator aufgrund eines Schadens aus. Trotz Instandsetzung zeigte der Antriebsstrang nach Inbetriebnahme Mitte 2018 ein höheres Schwingungsverhalten, wobei insbesondere das Niederdrucklager der Turbine als auch die Getrieberitzelwelle Auffälligkeiten aufwiesen (B i l d 7 ). Die entsprechenden Messstellen wurden daher als High Quality-KPIs für eine automatische Alarmierung bei weiteren Verschlechterungen nachgebildet. Darüber hinaus beauftragte man eine auf Schwingungsanalysen spezialisierte Firma mit einer Ursachenanalyse. Bild 7. Auffällige Messwerte: Die Wellenschwingung des HD-Lagers hat sich um das Dreifache vergrößert (A). Nach etwa elf Monaten erhöhten sich die Temperatur und die Schwingung des Generatorlagers erneut, worauf der Generator kurze Zeit später ausfiel (B). Trotz Instandsetzung hat der Antriebsstrang nach Inbetriebnahme immer noch ein erhöhtes Schwingungsverhalten. Besonders auffällig sind das Niederdrucklager der Turbine und die Getrieberitzelwelle (C). Hocheffiziente Strategien steigern Betriebszeiten Die Erweiterung des Systems zur statistischen Prozesskontrolle belegt, dass der konsequente Einsatz KI-basierter Methoden, wie z.B. Big Data und Machine Learning, sowie fortschrittliche Algorithmen wie der Deep Learning Autoencoder die physikalische Modellbildung in der prädiktiven Instandhaltung nochmals deutlich vereinfacht. Die neue Lösung vereint hierbei die Vorteile von Expertenwissen (HQ-KPI-Ansatz) mit Big Data-Methoden für die Automatisierung von Modellierungsprozessen zur Ermittlung von KPIs für die kontinuierliche Prozessgüte- und Zustandsüberwachung. Das Ergebnis ist eine gezielte Verdichtung einer Vielzahl von Messdaten zu aussagekräftigen Kennzahlen. Die größte Stärke des Systems besteht in der automatischen Überwachung aller prozessrelevanten Baugruppen und Anlagen, wodurch Abweichungen im Anlagenverhalten frühzeitig diagnostiziert werden. Dies entlastet nachhaltig Betriebsund Instandhaltungsingenieure, da sie proaktiv von dem Frühwarnsystem benachrichtigt werden und somit im Sinne einer hocheffizienten prädiktiven Instandhaltungsstrategie stets rechtzeitig reagieren können. Darüber hinaus unterstützt das System die Planung von Reinigungs-, Reparatur- und Revisionsarbeiten, da es im Vorfeld solcher Aufgaben explizit auf Anlagenbereiche aufmerksam macht, die möglicherweise bereits im Zuge der kontinuierlichen Überwachung auffällig waren. Diese und weitere Vorteile führen letztendlich zu positiven Ergebnissen wie eine Steigerung der Anlagenverfügbarkeit, reduzierte Stillstandzeiten, einen höheren Durchsatz und in der Folge zu längeren, produktiven Betriebszeiten. l 44
VGB PowerTech 7 l 2020 Refractory linings under thermomechanical aspects Refractory linings under thermomechanical aspects Holger Leszinski and Martin Breddermann Kurzfassung Feuerfeste Auskleidungen unter thermomechanischen Gesichtspunkten Die Auslegung feuerfester Strukturen erfolgt üblicherweise aufgrund von Forderungen, die auf die zu erwartende Ofenatmosphäre zugeschnitten werden müssen: Dichtigkeit, thermische und chemische Verträglichkeiten, Minimierung der Wärmeverluste etc. Diesbezügliche Erfahrungswerte des Konstrukteurs und Wärmedurchgangsberechnungen am regulären Schichtaufbau sollen dafür sorgen, dass auf die fertiggestellte Anlage Verlass ist. Thermomechanischen Vorgängen hingegen wird vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit gewidmet. Oftmals sind es Zwangsspannungen – im Betrieb hervorgerufen durch behinderte Temperaturverformung und zum Teil um ein Vielfaches höher als Spannungen infolge Eigenlasten oder Ofeninnendruck – welche Anlagenteile „in die Knie zwingen“ können. Selbst nach Eintreten derartiger Versagensfälle werden die Ursachen häufig an falscher Stelle gesucht, unter anderem weil die thermomechanischen Wechselwirkungen der einzelnen Strukturkomponenten nicht bekannt sind oder unterschätzt werden. Selbstverständlich kann man sich dem Komplex Feuerfestbau mit seinen auch in thermomechanischer Hinsicht zahllosen Unwägbarkeiten nur annähern; dazu werden im vorliegenden Beitrag die grundlegenden Mechanismen erläutert, beispielhafte thermomechanische Betrachtungen verschiedener Konstruktionsbeispiele aufgezeigt, und die daraus ableitbaren Möglichkeiten zur Optimierung der Sicherheit und Langlebigkeit dargelegt. l The design of refractory structures is usually based on requirements that must be matched to the expected furnace atmosphere: Tightness, thermal and chemical compatibility, minimization of heat losses, etc. In this respect, the experience of the constructor and heat transfer calculations on the regular layer structure are supposed to ensure that the completed system can be relied upon. In contrast, comparatively little attention is paid to thermomechanical processes. Often it is constraint stresses – during operation caused by hindrance of temperature deformation and sometimes many times higher than stresses due to dead loads or internal furnace pressure – which can “bring furnace components to their knees”. Even after the occurrence of such failures, the causes are often sought in the wrong direction, among other things because the thermomechanical interactions of the individual structural components are not known or are underestimated. Of course, it is only possible to approximate the complex of refractory construction with its innumerable imponderables, also from a thermomechanical point of view; for this, in the given article the basic mechanisms are explained, exemplary thermomechanical considerations of various design examples are shown, and the possibilities for optimizing safety and service life that can be concluded from this are presented. 1. Introduction The design of refractory structures is usually based on requirements that must be matched to the expected furnace atmosphere: Tightness, thermal and chemical compatibility, minimization of heat losses, etc. In this respect, the experience of the constructor and heat transfer calculations on the regular layer structure are supposed to ensure that the completed system can be relied upon. In contrast, comparatively little attention is paid to thermomechanical processes. Often it is constraint stresses – during operation caused by hindrance of temperature deformation and sometimes many times higher than stresses due to dead loads or internal furnace pressure – which can “bring furnace components to their knees”. Even after the occurrence of such failures, the causes are often sought in the wrong direction, among other things because the thermomechanical interactions of the individual structural components with each other – layers, anchorages, brackets, casings including stiffeners – are not known or are underestimated. The generous use of expansion joints, for example, usually falls short: on the one hand, the tightness of the system is often at stake in this case, and on TYPE OF ACTION Wear due to... THERMOMECHANICAL ...Constraint THERMAL ...Temperatures MECHANICAL ...Erosion CHEMICAL ...Corrosion Authors Dipl.-Ing. Holger Leszinski Dipl.-Ing. Martin Breddermann BREDDERMANN + PARTNER Gesellschaft Beratender Ingenieure mbB Bochum, Germany Fig. 1. Thermomechanical analyses allow to limit constraint stresses in a targeted manner. 45
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