Hệ thống theo dõi rung động không dây

Vừa qua, Công ty Southern California Edison (SCE) đã hoàn thành lắp đặt hệ thống không dây hiện đại theo dõi độ rung tại nhà máy điện Mountainview ở Redlands, bang California (Mỹ).

Ảnh 1. Hệ thống không dây  theo dõi độ rung hiện đại được  lắp đặt tại nhà máy điện Mountainview (Mỹ) công suất 1.050 MW

Hệ thống được lắp đặt cho tất cả các máy bơm, máy nén và các bộ truyền động động cơ thiết yếu điện áp 4,16 kV cũng như cho thiết bị xử lý nước, rất quan trọng, điện áp 480 V. Hệ thống này nằm trong chương trình bảo dưỡng dự báo nhằm duy trì và cải thiện độ tin cậy của nhà máy. Ngoài ra trong danh mục theo dõi của hệ thống không dây còn có thêm các quạt thông gió vỏ bao cách âm tuabin là những bộ phận khó tiếp cận.

Nhà máy điện chu trình kết hợp công suất 1.050 MW này gồm hai khối, mỗi khối gồm hai tuabin khí GE 7FA và một tuabin ngưng hơi GE D11. Công suất ra ròng danh định của mỗi khối là 525 MW. Thiết bị của GE Power Island được theo dõi độ rung bằng hệ thống GE Bentley Nevada; tuy nhiên, phần thiết bị còn lại của nhà máy (balance of plant – BOP) không có hoặc ít được trang bị theo dõi độ rung. Các thiết bị tối quan trọng thuộc BOP như máy nén khí tự nhiên kiểu trục vít quay có một bảng báo động cục bộ, tín hiệu báo động sự cố thông thường được gửi tới hệ thống điều khiển phân tán (DCS) của phòng điều khiển. Các máy nén khí, bơm nước cấp lò hơi và bơm nước tuần hoàn hiện nay chỉ mới lắp cặp nhiệt ở nắp máy bơm và ổ trục động cơ. Các nắp này được theo dõi và xác định xu hướng thay đổi từ hệ thống DCS.

Giai đoạn kiểm tra ý tưởng thiết kế

Dự án khởi đầu vào tháng 6/2008 khi ban kỹ thuật chọn ra 10 thiết bị dọc theo phía bắc nhà máy điện để kiểm tra ý tưởng thiết kế. Sở dĩ chọn phía bắc là nhằm kiểm tra khả năng có nhiễu từ sân bay quốc tế San Bernardino gần đó (trước đây là Norton AFB). Sử dụng phần ở phía bắc nhất của nhà máy để tính đến cường độ tín hiệu cũng như các vấn đề về nhiễu do các kết cấu thép lớn như lò hơi thu hồi nhiệt, sàn tuabin bằng bêtông và các vật thể khác cản trở truyền thông theo đường thẳng. Bởi vì điện thoại di động bắt sóng kém trong nhà máy nên trước tiên phải chứng minh hệ thống không dây có thể truyền thông liên tục và tín hiệu là đủ mạnh đối với dự án.

Cuối tháng 8/2008, hệ thống không dây ProSmart của công ty ITT đã chứng tỏ đủ năng lực và dự án chuyển sang giai đoạn xây dựng. Ông Steve Johnson, giám đốc kỹ thuật nhà máy, ký đơn đặt hàng xây dựng. Mục đích là tranh thủ thời gian nhà máy ngừng hoạt động trong tháng 10/2008 để lắp các bộ cảm biến rung trên các thiết bị thiết yếu không được phép ngừng hoạt động, còn những thiết bị ít quan trọng hơn có thể cho ngừng hoạt động sau khi nhà máy hoạt động trở. Công ty ITT và nhà thầu nhà máy điện đã hoàn thành lắp đặt và đưa thiết bị không dây và các cảm biến vào hoạt động trong tuần đầu tiên của tháng 12/2008.

Bộ theo dõi dữ liệu

Hệ thống không dây gồm có các môđun dữ liệu (data module – DM) có chức năng thu thập dữ liệu độ rung ba chiều, nhiệt độ, tốc độ quay của trục và các dữ liệu analog khác cho 68 thiết bị BOP. Nhìn chung, mỗi thiết bị cần một DM để truyền tín hiệu tới một môđun truyền thông (communication module – CM).

Các quạt thông gió vỏ bao cách âm của tuabin khí chỉ có một cảm biến được lắp đặt trên ổ trục dưới của động cơ. Các DM này được dùng chung nhiều dịch vụ và nhờ đó giảm được số lượng tổng các DM cần thiết. Tất cả có 52 ProSmart DM22x được lắp đặt cho dự án này. DM22x mới được thiết kế lại gần đây được phép sử dụng cho các khu vực nguy hiểm Cấp 1, Lớp 2 Nhóm ABCD. Môđun dữ liệu này truyền thông ở tần số 2,4 GHz, phổ dải rộng tới 3.000 m trong dải truyền thông điểm – điểm.

ITT đang phát triển phần mềm cho phép các môđun dữ liệu truyền thông trong mạng mắt lưới tự phục hồi, cho phép truyền dữ liệu đi xa tới 9.000 m. Các DM mới này bao gồm một hộp chia dây tích hợp để nối tới ba tín hiệu 4-20 mA, hai tín hiệu vào số, một rơle C dạng đơn và một khối nguồn đầu cuối. Phía ngoài vỏ là màn hình LED chẩn đoán nguồn điện, cũng như các chức năng cảnh báo độ rung và báo động.

DM được lắp cao 1,2 m so với nền, ở tư thế thẳng đứng, ăngten hướng lên trên. Cần phải đặt ăngten ở vị trí không có vật cản trong vòng bán kính 25, 4 cm và đặt cách xa nhau 0,9 m trở lên để tránh mất tín hiệu DM. Điều ngạc nhiên là khi bố trí bốn DM ở đầu phía tây bên trong nhà kho, gần sát các máy bơm cứu hỏa. Nhiều người nghĩ rằng nhà kho bằng tôn lượn sóng sẽ giữ không cho tín hiệu truyền đi. Tuy nhiên, các tín hiệu đã truyền tới môđun truyền thông ở tòa nhà điều khiển cách xa hàng trăm mét, tín hiệu vẫn mạnh ngay cả khi cửa cuốn của nhà kho đóng kín.

Môđun truyền thông

CM nhận dữ liệu từ các DM và đảm bảo kết nối tốt tới nền tảng ProNet thông qua mạng LAN, DSL, các bộ định tuyến không dây theo khối hoặc 802.11. Ở nhà máy điện Mountainview, người ta bố trí hai CM trên mỗi mặt sàn của tuabin hơi và một CM trên nóc nhà điều khiển. CM của nhà điều khiển truyền thông tới nền tảng ProNet thông qua dây DSL, trong khi đó bốn CM trên sàn tuabin được kết nối điện thoại di động tới mạng internet.

Do tín hiệu phát ra từ ăngten có dạng hình nón tròn xoay 360o nên cần bố trí cao để tránh cắt phần đáy của hình nón này khi tín hiệu va xuống đất. Điều này cũng cho phép tín hiệu phản xạ mạnh hơn trên các kết cấu liền kề.

Trong giai đoạn kiểm tra ý tưởng thiết kế dự án, các thiết bị được cấp điện từ ổ GIFF 110 V có dây nguồn cắm vào, thực tế cho thấy làm việc kém tin cậy. Nói chung các mạch GIF sẽ tự động ngắt điện khi trời ẩm ướt hoặc sau khi mưa bão. Trong giai đoạn xây dựng, nguồn 24 V xoay chiều cấp cho các DM và CM được nối bằng dây cứng qua máy biến áp/nguồn điện từ tủ điện chiếu sáng 110 V. Khối nguồn, kể cả các khối cầu chảy, được cố định vào thanh trượt dạng D bên trong hộp NEMA 4X làm bằng thép không gỉ. Nguồn điện nối qua dây cứng đã cải thiện độ tin cậy của hệ thống.

Cảm biến độ rung

Bộ phận chính của hệ thống theo dõi độ rung là cảm biến gia tốc theo ba chiều kết hợp thêm một cảm biến nhiệt độ. Theo yêu cầu, phải lắp bốn cảm biến trên thiết bị nằm ngang để theo dõi các ổ trục bên trong và bên ngoài động cơ, máy bơm, máy nén và quạt. Trên thiết bị lắp thẳng đứng, người ta sử dụng ba cảm biến để theo dõi động cơ và ổ trục máy bơm bên trên. Về quạt gió thẳng đứng trong vỏ bao cách âm, chuyên viên cao cấp về phân tích độ rung của công ty điện lực, ông Costa Yiannakakis, thấy rằng chỉ cần dựa vào ổ trục bên dưới của động cơ là đủ để xác định liệu khối lắp ráp cánh quạt – động cơ có bị hỏng hay không.  Bình thường, độ rung của các quạt này là 8,9 mm/s và khi tăng lên tới 15 mm/s tức là bắt đầu hỏng, vì vậy tín hiệu độ rung lớn cũng được truyền đến bộ quạt gió dự phòng đã tắt.

Ảnh 2. Cảm biến độ rung

Cảm biến tốc độ

Một trong những thách thức lớn trong dự án là lắp đặt các cảm biến tốc độ. Ý tưởng thiết kế ban đầu (và cũng là phương pháp tác động ít nhất tới hiện trạng) là gắn then trên trục. Khe hở cảm biến được điều chỉnh đến 5 mm hoặc hẹp hơn để phát hiện những thay đổi về trường từ trong trục, có chức năng khởi động xung. Gắn then trên trục thực tế lại không đơn giản nên chúng tôi chuyển sang sử dụng rãnh then hoặc chính then trục. Ở một số thiết bị, cả then và rãnh then đều không đủ dài, do vậy người ta gia công rãnh then dài ra hoặc gia công một rãnh then khác trên trục. Rãnh then phải đủ dài để dự phòng hiện tượng di trục do lệch tâm trường từ động cơ.

Ban đầu, tốc độ quay của thiết bị được sử dụng để xác định xu hướng thay đổi tính năng, nhưng dữ liệu này cũng tỏ ra có ích trong việc xác định xu hướng thay đổi độ rung khi thiết bị đang vận hành.

Hệ thống không dây

Nền tảng ProSmart đem lại khả năng quan sát, phân tích, lưu dữ liệu trong môi trường an toàn tại cơ sở của công ty ITT ở Seneca Falls, bang New York. Nhân viên nhà máy và các chuyên gia về độ rung có thể truy cập dữ liệu của họ từ bất kỳ đường liên kết mạng nào bằng cách sử dụng tên đăng nhập và mật khẩu thích hợp. Hệ thống có thể được đặt để gửi thông báo văn bản hoặc thư điện tử tới nhân viên được chỉ định từ trước trong trường hoặp xảy ra tình trạng báo động. Khi được kết nối tới nền tảng ProSmart, người phân tích độ rung lựa chọn tổ máy phát điện trong số lượng bất kỳ các nhà máy điện. Ứng với tổ máy phát điện có bản liệt kê trạng thái của mỗi thiết bị đang được theo dõi. Chấm vàng thể hiện trên sơ đồ bố trí chung cho thấy bơm nước cấp lò hơi đang trong tình trạng gần báo động. Nếu như độ rung hoặc điều kiện nhiệt độ xấu đi thì chấm vàng sẽ chuyển sang màu đỏ cho thấy thiết bị hiện đã trong tình trạng báo động. Tất cả thiết bị khác được thể hiện bằng chấm xanh tức là đang trong tình trạng tốt.

Cách bố trí bảng điều khiển này giúp người phân tích độ rung tập trung vào khu vực có vấn đề và phát hiện cảm biến có vấn đề trong vài giây. Người phân tích độ rung có thể nhanh chóng tập trung chú ý vào các khu vực có vấn đề ở một số tổ máy phát điện nằm ở các vùng khác nhau cả nước.

Bảng điều khiển này cũng cho phép xác định xu hướng thay đổi, như chứng minh dưới đây, khi mức độ rung có xu hướng chuyển sang tình trạng gần báo động được thể hiện bằng màu vàng. Cũng có thể thấy mức rung giảm mạnh khi cho thiết bị ngừng hoạt động rồi khởi động lại sau đó một thời gian ngắn. Mặc dù khó quan sát ở kích thước nhỏ, nhưng thang đo thể hiện xu hướng thay đổi mức rung trong khoảng thời gian nhiều ngày cho đến khi đạt tới tình trạng gần báo động. Có vẻ như tín hiệu cảnh báo nhắc nhở cho dừng thiết bị cho đến khi có thể xác định được liệu có phải là rung thật hay không. Sau đó cho khởi động lại thiết bị và tiếp tục xác định xu hướng thay đổi sang khu vực gần báo động. Thang đo ở phía bên trái xu hướng thay đổi được tính bằng đơn vị insơ trên giây (25 mm/s).

Đặt và cấu hình phần mềm

Đặt các thời gian gần báo động, báo động, trễ báo động, tốc độ lấy mẫu và lọc của phần mềm có sự khác nhau chút ít giữa các thiết bị và đòi hỏi nhiều công sức thì mới tránh được báo động sai. Thiết bị nằm ngang có bốn cảm biến, mỗi cảm biến có một thành phần x, y và z có thể được cài đặt trong dải bằng 1 đến 10 lần tốc độ khi chạy. Ở mức độ nào đó, có thể sao chép một số dữ liệu từ cảm biến này sang cảm biến khác nhưng phải kiểm tra độ chính xác của mỗi tốc khi chạy. Nhà phân tích cao cấp về độ rung của SCE đã làm việc với các kỹ sư phần mềm của công ty ITT để thiết lập được một bộ cấu hình nhất quán đặc trưng cho mỗi loại thiết bị. Song song với nỗ lực này, ITT cũng nâng cấp phần mềm của họ để có thêm các tính năng và chữa các lỗi, một vấn để gây nhiều thách thức lớn hơn. Người ta còn chưa rõ vấn đề là do cấu hình hay phần mềm.

Nhân viên vận hành và bảo trì trong nhà máy được tham gia nhiều khoá đào tạo về hệ thống độ rung do ITT cũng như chuyên gia về độ rung của SCE tổ chức. Có các lớp giới thiệu để giải thích toàn bộ về hoạt động của phần cứng và những vấn đề cần lưu ý khi tháo ra và lắp đặt trở lại các cảm biến trong quá trình đại tu. Một lớp phần mềm giảng các kiến thức cơ bản về nhập dữ liệu và xác định tình trạng thiết bị. Các lớp gần đây đề cập đến phân tích báo động và huấn luyện về độ rung.

Chuyên gia về độ rung của SCE và kỹ sư nhà máy, ông Bruce Liu, đã tham dự một lớp đào tạo về cấu hình để nắm hiểu chi tiết về cách cấu hình phần mềm ProSmart của ITT.

Như đã nêu trên, phần mềm đang được nâng cấp để đưa thêm các tính năng mới, bao gồm mạng lưới tự phục hồi. Hiện nay, một cảm biến bền hơn đang được phát triển, trong đó cảm biến được tách rời khỏi cáp và do đó việc tháo ra và thay thế cảm biến khi bảo dưỡng có thể thực hiện dễ dàng hơn.