Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: 2012 14 1 Komplexní přístup k řízení životnosti výkonových olejových transformátorů 3. část: Přístup z pohledu dat A Comprehensive Approach to Managing the Life of Power Oil Transformers - 3. Part: in Terms of Data Miloš Hammer 1, Pavel Cvešpr 2 hammer@fme.vutbr.vutbr.cz, pcvespr@ic-energo.eu 1 Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně. 2 I & C Energo a.s., Brno Abstrakt: Článek se zabývá nejdůležitějšími otázkami, které trápí experta posuzujícího zařízení z pohledu řízení životnosti. Jedná se o otázky: Jak dlouho může být zařízení provozováno bezpečně a efektivně při zachování požadavků na jeho provozuschopnost, v jakém technickém stavu jsou sledované části zařízení a jaká je jejich zbytková životnost? Kdy je třeba naplánovat odstávku? Co bude její náplní? Abstract: The article deals with the most important issues that plague expert examining the device from the perspective of life. These are the questions: How long can be operated safely and efficiently while maintaining its operational requirements, in what condition the equipment is monitored and what is their residual service life? When do I need to schedule downtime? What will be its contents?
Komplexní přístup k řízení životnosti výkonových olejových transformátorů 3. část: Přístup z pohledu dat Miloš Hammer 1, Pavel Cvešpr 2 1 Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Email: hammer@fme.vutbr.vutbr.cz 2 I & C Energo a.s., Brno Email: pcvespr@ic-energo.eu Abstrakt Nejdůležitější otázky, které trápí experta posuzujícího zařízení z pohledu řízení životnosti a provozovatele zařízení jsou: jak dlouho může být zařízení provozováno bezpečně a efektivně při zachování požadavků na jeho provozuschopnost, v jakém technickém stavu jsou sledované části zařízení a jaká je jejich zbytková životnost? Kdy je třeba naplánovat odstávku? Co bude její náplní? Vyplatí se zařízení opravit nebo je třeba nová investice? Kvalifikovaná odpověď na všechny tyto otázky je pro správné ohodnocení stavu všech důležitých zařízení naprosto nezbytná a bez kvalitní datové základny prakticky jen obtížně realizovatelná, ne-li vůbec možná. Výkonný databázový server ukládá do CDS ze všech lokalit všechna data diagnostikou dotčených zařízení potřebná ke stanovení životnosti. Datový model je navržen tak, aby byl schopen flexibilně pokrývat rostoucí nároky uživatelů na zpracování informací, které se v této oblasti mohou očekávat. 1 Úvod Otázka životnosti výkonových transformátorů a tedy i jejich dlouhodobé spolehlivosti je dominantně spojena s životností resp. rychlostí stárnutí jejich celulózových izolantů. Důvod je zřejmý. Ve výkonovém transformátoru je možno v případě potřeby relativně snadno a bez větších nákladů vyměnit téměř všechny degradované operační celky, ale nikoliv jeho celulózové izolanty. Nákladnost výměny pevných izolantů, tj. převinutí transformátoru, je přitom řádově blízká ceně nového stroje a tato údržba tedy postrádá jakýkoliv ekonomický i technický smysl. Provozovatel zařízení má za těchto okolností dvě možnosti: Dát věcem volný průchod, tj. o své transformátory se nijak s ohledem na jejich dlouhodobou životnost speciálně nestarat, údržbu omezit na úkony striktně požadované normou a případnou havárii řešit rezervní jednotkou Nasadit vhodný integrovaný nástroj systém pro ukládání, vyhodnocování dat a interpretaci jejich výsledků. 2 Datový model Komplexním přístupem k řízení životnosti z pohledu dat lze nazvat vybudování centrálního datového skladu (CDS) podporovaného výkonným databázovým systémem na platformě ORACLE, která z důvodu urychlení výměny dat mezi databázovým serverem a pracovní stanicí může přebírat část aplikační logiky. Obrázek 1: Architektura SW řešení problematiky řízení životnosti Uživatel pro svou práci v řízení životnosti dostává informace z CDS prostřednictvím aplikačního serveru, který rovněž zajišťuje komunikaci s okolními podpůrnými informačními systémy. Využívá přitom jednak pracovní stanici napojenou přímo na aplikační server pro přístup k vlastní sw aplikaci, tzv. 19 1 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
tlustý klient nebo přístup do prezentační vrstvy přes webový server, tzv. lehký klient, jak je ukázáno na obr. 1. S přístupem do prezentační vrstvy přes webové rozhraní se uvažuje v souvislosti s potřebami zejména Asset Managementu. 3 Datové zdroje Z obr. 2 je zřejmé, že hlavními datovými zdroji pro hodnocení životnosti je provoz, diagnostika a údržba zařízení. Diagnostika získává informace z provozu prostřednictvím jednotlivých PŘS [2]. Rozsah plánovaných činností co do obsahu i četností v rámci ročního plánu je ovlivňován výsledky použité diagnostiky a hodnocením během řízení životnosti (ŘŽ). Spolehlivost je mírou kvality údržby, neboť se do ní zpětně promítá provozuschopnost zařízení. Základem každého databázového systému je registr zařízení s dostatečným rozsahem popisných informací. Tyto jsou tvořeny jednotlivými záznamy o zařízeních. S hlediska toku informací mají záznamy charakter statických dat, neboť tato se nemění v kontextu kontinuálního zpracování vyjma rušení zařízení nebo zavádění zařízení nových. Statická data registru zařízení pro řízení životnosti (LTO) jsou složena ze dvou částí: Popisná část obecná struktura dat je shodná pro zařízení všech technologických celků - tab. 1 (zelená část) Popisná část speciální struktura dat je shodná pro zařízení jednoho druhu. Jiná je pro transformátory, jiná je pro generátory nebo turbíny- tab. 1 (žlutá část). Jedná se v podstatě o štítkové údaje registrovaného stroje. Do této části jsou zaznamenávány počáteční hodnoty sledovaných parametrů, které udávají počátek sledování technického stavu zařízení, v zaváděné terminologii se hovoří o tzv. nultých stavech. Eviduje se stav provozních hodin v okamžiku zahájení sledování zařízení v informačním systému, materiálové konstanty, apod. Mohou to být též hodnoty parametrů nastavených výrobcem nebo dodavatelem technologie dle výsledků garančního testování provozu nového zařízení nebo po jeho opravě. Pokud je registr popisnými údaji o zařízeních naplněn, lze v souladu s datovým modelem k registru vázat data přicházející z různých datových zdrojů, v případě LTO jsou data řízena dle PŘŽ [2]. Hodnotami parametrů/veličin se CDS plní průběžně dle stanoveného režimu, hovoříme proto o datech dynamických. Obrázek 3: Milníky v procesu řízení životnosti Obrázek 2: Řízení životnosti podpora z jednotlivých oblastí 3.1 Registr zařízení Součástí funkcionality registru je schopnost sledovat historii pohybu vybraných zařízení instalovaných postupně na jednotlivých postech / technologických pozicích. Každé fyzické zařízení identifikované svým výrobním číslem je instalováno na pozici, která je označena číslem projektovým. Zařízení buď na této pozici dožije a je sešrotováno (např. tlakové části potrubí) nebo je demontováno, opraveno a následně instalováno na jinou pozici (oprava výměnným způsobem). Historie obsahuje datum instalace na pozici a datum demontáže zařízení z pozice. Lze pak snadno zjistit, jak dlouho na kterých pozicích bylo zařízení provozováno. Tyto údaje jsou důležité pro výpočet spolehlivosti zařízení. Z pohledu údržby je důležitá další dostupná informace o všech výměnách fyzických zařízení, ke kterým na dané technologické pozici z důvodu dožití nebo opravy došlo. V běžné technické praxi se počítají spolehlivostní ukazatelé vztažené pouze k technologické pozici a neuvažuje se přitom s výměnou zařízení. Je zřejmé, že v takovém případě samotný výpočet pak musí vycházet mimo realitu. V energetice je snaha tento nedostatek odstranit a pro začátek sledovat alespoň pohyby 6 kv motorů a rotorů turbín. K fyzickému zařízení se vážou veškeré informace, které byly během jeho provozování získány. Zůstávají v historii CDS z důvodu jejich statistického zpracování i po likvidaci 19 2 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
zařízení. Jedná se o protokoly, garanční a diagnostická měření atd. Data jsou do CDS ukládána sběračem, který má z důvodu omezených kapacitních možností skladového media nastaveno pásmo necitlivosti sběru. Pásmo je možno měnit dle potřeb řízení životnosti, pro všechny veličiny je jeho šířka nastavena standardně na velikost 2% z příslušného měřicího rozsahu. Ukázka prezentace provozních dat uložených do CDS pro turbogenerátor TG 230 MW v grafické a tabelární formě je na obr. 4 Tabulka 1: Popisná data v registru pro generátor a transformátor K technologické pozici, která je identifikovaná svým projektovým číslem, jsou připojeny provozní předpisy, bezpečnostní a zajišťovací příkazy, apod. 3.2 Provoz Provozní data jsou důležitá pro řízení technologie. Čidla pro jejich snímání jsou trvalou součástí technologické pozice. Hodnoty parametrů technických veličin jsou ve většině případů snímány kontinuálně v časových řezech 30 s. Kromě řízení technologie jsou získaná data využívána v provozní ekonomii. Obrázek 4: Časový průběh veličiny sledované na TG 3.3 Údržba Informační systém pro řízení údržby poskytuje data formou pracovních příkazů. Jakýkoli údržbový zásah na zařízení, iniciovaný plánem nebo jeho poruchou, lze z bezpečnostních i technických důvodů provést pouze na pracovní příkaz (někdy 19 3 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
se užívá také termín pracovní lístek). Je tedy zřejmé, že hlavní zdrojem informací o údržbových zásazích jsou pro potřeby řízení životnosti právě pracovní příkazy. Expertovi je umožněno tyto údaje zobrazit v prostředí IA vrstvy formou výpisu všech pracovních příkazů k zařízení od jeho zavedení do informačního systému údržby. V tab. 2 jsou uvedeny informace z pracovních příkazů pro blokový transformátor 250 kva/420 kv za dobu sledování 11 roků. Počet zásahů údržby je nízký, což je v souladu s tvrzením v [2], že spolehlivost transformátoru je vysoká a s minimálními údržbovými nároky. Zásah údržby Počet Poznámka Bezpečnostní závada 1 Rozváděč Poruchy Pomocných zařízení 23 Převážně olejová čerpadla, ventilátory chlazení Plánovaná údržba 17 Pomocná zařízení Plánovaná údržba/diagnostika 20/13 Transformátor samotný Tabulka 1: Počty zásahů údržby transformátoru 3.4 Spolehlivost Každé zařízení je identifikováno výrobním číslem, výrobním typem a výrobcem jednoznačně. Šetření spolehlivosti je prováděno na úrovni výrobních typů. Výstupem výpočtového modulu jsou spolehlivostní ukazatelé, které je také možno použít pro stanovení počtu náhradních dílů (ND). Tyto počty se v běžné technické praxi určují prostým odhadem a zkušenostmi pracovníků údržby a tedy určitě nejsou v relaci s potřebami vyžádanými skutečnou poruchovostí provozovaných zařízení a jejich komponent. Rozdíl počtu mezi odhadovanými skladovými zásobami a jejich reálnými potřebami z korektivní údržby jsou umrtvené skladové zásoby, které zatěžují finanční rozpočet údržby. Pro optimální nastavení minimálních hladinových úrovní ND jednotlivých použitých výrobních typů komponent je nutné vyjít z údajů, které zásadní měrou ovlivňují jejich cirkulaci v reálném provozním prostředí. Je evidentní, že zásadními parametry tohoto procesu bude: Rozsah výskytu výrobních typů zařízení Poruchovost sledovaných zařízení/ komponent Dostupnost příslušných ND Úroveň kritičnosti komponenty s ohledem na bezpečnost, kontinuitu a ekonomičnost technologického procesu Jednotková cena komponenty Pro stanovení minimálních hladin ND v reálných provozních podmínkách lze využít následující úvahu [7]. Nechť je v reálných podmínkách provozován systém, který se skládá z určitého počtu komponent. Komponenty jsou různých výrobních typů a jsou známy jejich počty. Stanovení minimálních hladin ND pro daný systém by logicky mělo vyjít z poruchovosti použitých výrobních typů. Potřeba náhradního dílu bude potom nutně souviset s pravděpodobností, že vznikne určitý maximální počet poruch na komponentě daného typu (n-tá porucha). Vzhledem k tomu, že provozovaná komponenta, u níž byla zjištěna porucha, je po poruše obnovena ze skladu, potom potřeba n-tého náhradního dílu bude dána pravděpodobností vzniku n-té poruchy. Pro zjištění počtu náhradních dílů je tedy nutno zjistit, s jakou pravděpodobností vznikne nejvýše n-tá porucha na sledované komponentě. Tuto pravděpodobnost lze matematicky stanovit pomocí Poissonova rozdělení [3], [4]. Distribuční funkce Poissonova rozdělení se vypočte podle vzorce kde P( n) n x e x0 x! P(n) je pravděpodobnost, že vznikne maximálně n poruch, je parametr Poissonova rozdělení (vyjadřuje střední hodnotu), n počet poruch. Parametr Poissonova rozdělení se odhadne ze vzorce kde t MTBF t je doba sledování čili provozování komponenty, MTBF je střední doba provozu mezi poruchami. Pokud je sledovaných komponent více, je doba sledování t rovna: kde t 1 t k t je celková doba sledování všech komponent, t 1 je doba sledování jedné komponenty daného výrobního typu, k je počet shodných komponent daného výrobního typu. Ze vzorců (1),(2) a (3) se dostane výraz,,, (1) (2) (3) 19 4 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
P( n) n x0 e t1k MTBF t1k ( ) MTBF x! Dobu sledování t 1 je pro stanovení ND možno považovat za dobu dodání ND. Při zjišťování míry pravděpodobnosti, s jakou je třeba udržovat počty ND, je nutné určit, zda díl je pro daný systém kriticky nutný. Pak je nutné stanovit vyšší konfidenční mez. Pokud díl není kriticky nutný, stanoví se konfidenční mez nižší, podobně se postupuje pro případy, kdy je možné nahradit kritický náhradní díl shodným dílem využitelným alternativně z jiné technologické pozice. Obecně se pro plánování ND v technologických provozech významné důležitosti používají konfidenční meze na úrovni nejméně 99%. Zjednodušeně to znamená, že ze 100 kusů náhradních dílů bude chybět v průměru jeden náhradní díl. Pro praktické výpočty minimálních hladin ND lze využít zjednodušený vztah (5) podle [6], který přináší dostatečně přesné výsledky. A(n) λ.t Z λ.t, kde A(n) pracovní (fiktivní) přípustný počet poruch, t Z intenzita poruch komponent daného výrobního typu, pro který se nastavuje úroveň ND [h -1 ], není parametr z Poissonova rozdělení, rozsah výběru počtu n komponent (dodací doba ND) [h], konfidenční mez z normovaného normálního rozdělení nastavená dle zvolené hladiny významnosti. První sčítanec t je prostý odhad minimálního počtu ND podle dodací doby t a intenzity poruch pro počet n komponent. Vyšlo se z jednoduché úvahy, jakým způsobem lze při známé MTBF (pro exponenciální rozdělení poruchovosti jakožto náhodné proměnné rovno převrácené hodnotě Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.[5] ) a dané době provozu, po kterou je nutné udržet bezporuchový stav, stanovit střední odhad minimálního počtu ND. Použije-li se místo doby provozu dodací doba ND, získá se potom přímo střední odhad minimálního počtu ND pro obecnou dobu provozu. Druhý sčítanec Z λ.t znamená navýšení počtu ND na základě kritičnosti komponenty, která bude vycházet zejména z významnosti zajištění bezpečnosti a kontinuity provozu zařízení. Pro bezpečnostně významné provozy je vhodné volit maximální úrovně konfidence (99,95 až 99,99). Tím je dle zvolené pravděpodobnosti dále minimalizováno riziko vyčerpání skladu s ND. Uvedený postup je možno využít rovněž pro stanovení minimálních hladin ND s použitím projektových hodnot středních dob mezi poruchami dodanými od výrobce, čímž by mělo dojít ke zpřesnění výše uvedeného postupu pro stanovení počtu ND v případě, že provozní data jsou sbírána mimo časový úsek konstantní intenzity poruch. x (4) (5) 4 Závěr V tomto článku jsou naznačeny široké možnosti využití dat ukládaných do CDS nejen pro potřeby stanovení předpokládaného roku dožití exponovaného zařízení. Literatura [1] HAMMER, M., CVEŠPR, P,: Komplexní přístup k řízení životnosti výkonových olejových transformátorů - 1. část: Úvod do problematiky. [2] HAMMER, M., CVEŠPR, P,: Komplexní přístup k řízení životnosti olejových výkonových olejových transformátorů - 2. část: Procesní přístup. [3] LIKEŠ, J., LAGA, J.: Základní statistické tabulky. SNTL, Praha, 1978. [4] ŠOR, J. B.: Praktické problémy teorie spolehlivosti. ČVUT 1967. [5] ČSN IEC 60605-4: Zkoušení bezporuchovosti zařízení - Část 4: Statistické postupy pro exponenciální rozdělení - Bodové odhady, konfidenční intervaly, předpovědní a toleranční intervaly. Praha: Český normalizační institut, 2002. [6] CALABRO S. R.: Základy spolehlivosti a jejich využití v praxi. SNTL, Praha 1965. [7] SÁGL, P. : Plánování náhradních dílů v systému SSS SKŘ EDU a ETE. Metodika, srpen 2010. [8] Cílový koncept (Projektová dokumentace) realizace SW řešení LTO. Řešitel I &C Energo a.s., 2011. Poděkování Předkládaný článek je publikován za finančního přispění VUT v Brně v rámci programu specifického výzkumu č. FSI-S- 11-5 Enviromentální a bezpečnostní aspekty vývoje, výroby a provozu strojů a dále za podpory Divize mechatroniky NETME centra, jehož budování je finančně podporováno z Evropského fondu regionálního rozvoje prostřednictvím Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace v rámci projektu CZ.1.05/2.1.00/01.0002 s názvem "NETME centre - nové technologie pro strojírenství". 19 5 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012