GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu về đề tài
Động cơ điện là một trong những loại máy được sử dụng rộng rãi nhất Trong các cơ sở công nghiệp, gia dụng, thương mại và hầu hết các động cơ điện này thuộc loại động cơ cảm ứng với ưu điểm độ tin cậy cao, yêu cầu bảo trì thấp và có hiệu suất tương đối cao có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt Hơn nữa, phạm vi công suất đa dạng của động cơ điện cảm ứng từ hàng trăm watt đến megawatt, đáp ứng nhu cầu sản xuất của hầu hết các quy trình công nghiệp Trong nhiều trường hợp, động cơ điện là một bộ phận của dây chuyền sản xuất và sự cố đột ngột của động cơ có thể khiến toàn bộ hệ thống ngừng hoạt động Đối với các dây chuyền đơn lẻ không có động cơ dự phòng song song (đảm bảo chi phí đầu tư thấp hơn) yêu cầu về tính sẵn sàng sản xuất cao, đòi hỏi tính khả dụng cao của động cơ Ở Nhà máy Đạm Cà Mau có gần 800 động cơ điện các loại, trong đó 30 động cơ trung thế với công suất lớn có mức độ ưu tiên tối quan trọng, khi bị sự cố nếu không được xử lý kịp thời trong một khoảng thời gian nào đó sẽ gây dừng phân xưởng và có khả năng gây dừng nhà máy Do đó việc nghiên cứu xây dựng quy trình giám sát bảo trì động cơ điện công suất lớn tại Nhà máy Đạm Cà Mau là cần thiết nhằm giúp cho công tác giám sát, chuẩn đoán và đánh giá sớm các nguyên nhân lỗi trên thiết bị từ đó có đủ thời gian để đưa ra kế hoạch bảo trì phù hợp mà không gây ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất nhà máy.
Tổng quan các chương trình nghiên cứu liên quan
Trong nghiên cứu [1] đã đưa ra phương pháp phân tích lỗi lệch tâm thông qua mô Hình hóa động cơ cảm ứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn bước thời gian (TSFEM)
Trong phương pháp này, sự phân bố theo không gian của các cuộn dây stator, sự không đồng đều của khe hở không khí do các rãnh của stator và rotor, đặc tính phi tuyến của vật liệu lõi stator và rotor, hiệu ứng bề mặt, độ lệch của các thanh rotor, hiệu ứng đầu cuối của cuộn dây stator và dòng Foucault được tính đến Do đó các loại lỗi về cơ và điện như lệch tâm, hỏng thanh rotor trong động cơ cảm ứng
Có thể được mô Hình hóa để phát hiện và tính toán thông qua việc phân tích sự biến dạng của biên dạng dòng stator và sự biến thiên theo thời gian của biên dạng mô- men xoắn trong động cơ
Hình 1.1 Ảnh mặt cắt 2-D stator, rotor và motor
Hình 1.2 Cấu Hình 3-D của động cơ được mô Hình hóa
Nghiên cứu [2] đề xuất phương pháp phát hiện lỗi lệch tâm dựa trên phân tích phổ dòng điện Động cơ cảm ứng có phổ dòng điện stator phức tạp với nhiều sóng hài do lực từ động (MMF) và từ thẩm sinh ra Mật độ thông lượng là tích của độ từ thẩm khe hở không khí và MMF khe hở không khí Mỗi sóng hài MMF tương tác với sóng hài từ thẩm, tạo ra chuỗi sóng hài dòng điện có tốc độ quay, số cực và hướng khác nhau Phương pháp phân tích phổ Fourier giúp tính độ lớn sóng hài dòng điện cảm ứng và phát hiện lỗi lệch tâm không khí giữa rotor và stator.
Hình 1.3 Thuật toán tính toán từ trường khe hở không khí
Trong nghiên cứu [3] đã cung cấp mô Hình tính toán lực từ kéo không cân bằng (UMP) được sinh ra do độ lệch tâm trong động cơ dựa trên phân tích trường ghép điện-từ và mô Hình tính toán được tạo trong phần ANSYS a) b)
Hình 1.4 Mô hình mạch từ a) Mô hình mạch từ của máy b) Mô hình mạch điện của stator Ứng dụng phần mềm Ansys cho phép tính toán các lực điện từ tác dụng lên rotor của máy bằng phương pháp ứng suất lực căng Maxwell với chuyển vị ảo bằng
1 tại tất cả các nút của rotor và các chuyển vị ảo bằng 0 tại tất cả các nút của khe hở không khí Vì lực từ kéo không cân bằng (UMP) là kết quả của lực điện từ tác dụng lên rotor.
Lý do xây dựng quy trình giám sát để bảo trì động cơ điện công suất lớn
Nhà máy Đạm Cà Mau đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp phân bón cho Đồng bằng sông Cửu Long, vùng nông nghiệp trọng điểm của khu vực Vì vậy, việc duy trì hoạt động ổn định của nhà máy, đặc biệt là giám sát và bảo trì động cơ công suất lớn, là thách thức đối với đội ngũ kỹ thuật Các động cơ này đóng vai trò thiết yếu trong dây chuyền công nghệ, từ tổng hợp nguyên liệu đến sản xuất Amonia và Urea hạt đục, là một phần không thể tách rời của quá trình công nghệ.
Lượng điện năng tiêu thụ đáng kể trong sản xuất (khoảng 76,25%) thuộc về các động cơ công suất lớn Do đó, bất kỳ sự cố nào với các động cơ này đều ảnh hưởng nghiêm trọng đến dây chuyền công nghệ, dẫn đến lãng phí nguyên vật liệu và phế phẩm không thu hồi được trong quá trình sản xuất.
Một yếu tố đặc biệt quan trọng mà không thể không đề cập đến nếu tình trạng các động cơ điện công suất lớn có vấn đề là yếu tố môi trường, nó sẽ làm tăng lượng khí thải, nước thải ra môi trường từ việc các thiết bị tổng hợp ngừng hoạt động
Ngoài ra khi tình trạng thiết bị có vấn đề mà ở đây là động cơ công suất lớn nó còn làm giảm tuổi thọ của hệ thống thiết bị công nghệ như lò phản ứng, các thiết bị trao đổi nhiệt, các tháp tổng hợp mà đặc biệt là các máy nén do điều kiện và môi trường làm việc thiết bị có sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ, lưu lượng và áp suất
Khi các thiết bị công suất lớn gặp sự cố, sản xuất sẽ bị gián đoạn nghiêm trọng, đặc biệt khi hệ thống chỉ có một thiết bị Trong những trường hợp này, tính liên tục của dịch vụ là tối quan trọng vì sự cố không chỉ gây tổn thất về sản xuất và sửa chữa mà còn có thể gây nguy hiểm nếu các dịch vụ quan trọng bị dừng hoạt động.
Do đó việc xây dựng quy trình giám sát bảo trì động cơ điện công suất lớn trong nhà máy Đạm Cà Mau trở nên không thể thiếu Nhằm giám sát tình trạng thiết bị, nâng cao độ tin cậy của máy điện công suất lớn trở nên quan trọng hàng đầu Nâng cao hiệu quả về chi phí sản xuất, giảm phế phẩm, tiêu hao nguyên vật liệu, kéo dài tuổi thọ hoạt động của thiết bị và đó cũng là lý do của việc xây dựng quy trình giám sát bảo trì.
Mục tiêu đề tài
Việc xây dựng quy trình giám sát bảo trì động cơ điện công suất lớn tại nhà máy Đạm Cà Mau là nhằm mục tiêu:
Phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường trên động cơ từ đó chủ động lên kế hoạch bảo trì, khắc phục lỗi tránh các sự cố nghiêm trọng
Thiết lập chế độ tồn kho dự phòng an toàn tối ưu
Đội ngũ vận hành, bảo dưỡng nắm rõ cách thức phối hợp, cách thức thực hiện trong việc ghi nhận, đánh giá chuẩn đoán tình trạng hoạt động của thiết bị
Duy trì nhà máy vận hành ổn định, tin cậy, đảm bảo tải đầu ra.
PHÂN VÙNG LỖI TRÊN ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG
Động cơ cảm ứng 3 pha
Động cơ điện cảm ứng 3-pha rotor lồng sóc là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện năng thành cơ năng Sau đó được cung cấp cho các loại tải khác nhau như bơm, quạt, máy nén v.v Với rất nhiều ưu điểm nên ngày nay thiết bị được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp
Gồm có hai bộ phận riêng biệt: Phần cố định (stator) với bộ dây quấn 3 pha lắp đặt vào các rãnh lỗi thép (mỗi pha phân bố trong không gian cách nhau 120 độ) và phần di động (rotor) Giữa stator và rotor được ngăn cách nhau bởi một khoảng không khí (air-gap)
Nguyên lý hoạt động: Động cơ điện cảm ứng 3 pha rotor lồng sóc làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rotor (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường Nghĩa là khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f s vào ba cuộn dây stator, sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ N 1 = 60f/p Từ trường quay cắt các thanh dẫn của rotor, cảm ứng các sức điện động Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rotor Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rotor kéo theo rotor quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ N Hình ảnh động cơ trung thế được thể hiện trong Hình 2.1
Các vùng lỗi chính trên động cơ cảm ứng
Độ tin cậy của động cơ điện cảm ứng lồng sóc đã được nghiên cứu trong một số cuộc khảo sát như viện nghiên cứu điện năng EPRI (1983), viện kỹ sư điện-điện tử IEEE (1985,1995) Kết quả của các cuộc khảo sát này là hư hỏng ổ trục gây ra gần 50% và hư hỏng cuộn dây stator khoảng 15 đến 35% tất cả các hư hỏng, tùy thuộc vào ứng dụng Tỷ lệ kết hợp của sự cố rotor và trục là khá nhỏ, dưới 10% Tỷ lệ thiết bị bên ngoài như chất lượng điện năng, mạch công suất là chiếm khoảng 10÷20% [4-5] Phần trăm thành phần lỗi được thể hiện trong Hình 2.2
Hình 2.1 Động cơ điện trung thế
Hình 2.2 Phần trăm thành phần lỗi trong động cơ cảm ứng xoay chiều
Thiết kế động cơ điện thường tập trung vào việc tạo ra sự đối xứng điện và cơ trong stator và rotor Điều này giúp cải thiện khả năng ghép nối và tăng hiệu suất của động cơ Tuy nhiên, sự cố trong động cơ có thể phá vỡ tính đối xứng này, dẫn đến các triệu chứng bất thường trong quá trình vận hành Hình 3 mô tả các lỗi chính thường gặp trong động cơ điện.
Lỗi trên động cơ cảm ứng
Lỗi về điện Lỗi về cơ
Lỗi Stator Lỗi rotor Lỗi lệch tâm Lỗi vòng bi
Lỗi cuộn dây Lỗi thanh bar và Lỗi tải vòng cuối
Hình 2.3 Phân loại các lỗi trên động cơ cảm ứng
Hở hoặc ngắn mạch trong cuộn dây động cơ
Lỗi hở hoặc ngắn mạch trong cuộn dây động cơ phần lớn do lỗi cách điện cuộn dây bị hỏng Điện trở cách điện thấp dẫn đến rò rỉ hoặc đoản mạch trong các cuộn dây và cuối cùng nó sẽ bị phá vỡ và không tạo ra sự cách ly cần thiết giữa các dây dẫn hoặc cuộn dây động cơ Điện trở ban đầu của cách điện các cuộn dây thường rất cao (≥1000MΩ) Tuy nhiên, sau một thời gian lớp cách điện bắt đầu xuống cấp do nhiễm dầu, hơi ẩm, khí axit, phóng điện cục bộ trong cách điện cuộn dây, rò rỉ trong hệ thống làm mát Ngoài ra điện trở cách điện thấp, lão hóa còn liên quan đến tình trạng quá tải hoặc quá dòng (áp thấp, mất pha) dẫn đến động cơ quá nóng do có dòng điện quá mức chạy bên trong các cuộn dây Dòng điện này thường lớn hơn dòng điện thiết kế mà cuộn dây động cơ có thể chịu đựng một cách hiệu quả và an toàn [6]
Hình 2.4 Các dạng lỗi cuộn dây stator nối sao
Kết nối sai các cuộn dây
Việc đấu dây cho động cơ điện 3 pha đóng vai trò rất quan trọng Nếu như không cẩn thận trong quá trình đấu nối hoặc lựa chọn điện áp đặt vào các cuộn dây động cơ không phù hợp theo nhãn nameplate trên thiết bị của nhà sản xuất thì khi đưa vào sử dụng sẽ gây ra nhiều mối nguy hiểm cho động cơ như cháy cuộn dây, giảm hiệu suất, hỏng tải đầu ra Điện trở cao tiếp xúc với dây dẫn Điện trở tỉ lệ với dòng điện chạy trong mạch, vì thế các kết nối điện trở cao trong mạch điện động cơ cảm ứng dẫn đến quá nhiệt cục bộ và gây mất cân bằng điện áp cung cấp, dẫn đến giảm hiệu suất và độ tin cậy thiết bị Khi những vấn đề này trở nên nghiêm trọng hơn, nhiệt độ động cơ tăng và bắt đầu hư hỏng cách điện, làm tăng nguy cơ hỏa hoạn trong hệ thống phân phối điện và động cơ Nếu chúng không được xác định và sửa chữa kịp thời thì sẽ gây ra những ảnh hưởng có hại và dẫn đến hỏng hóc thiết bị Hình 2.5 thể hiện mối nối tiếp xúc trên động cơ
Nối đất sai hoặc không ổn định
Hệ thống điện nối đất sai hoặc không ổn định là một mối quan tâm nghiêm trọng trong hệ thống Ý nghĩa lớn nhất của việc nối đất cho hệ thống và thiết bị là làm sao phải đảm bảo cho người và thiết bị không bị ảnh hưởng khi có sự cố xảy ra Đối với động cơ nếu hệ thống nối đất không được giải quyết đúng cách nó còn có thể dẫn đến cách điện động cơ sớm bị hư hỏng do ứng suất điện áp cao hơn có trên hệ thống cách điện và với điều kiện điện áp cao sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ trong quá trình vận hành a) b)
Hình 2.5 Lỗi về điện a) Ngắn mạch cuộn dây b) Tiếp xúc không tốt
Thanh rotor và vòng cuối bị hỏng
Gãy thanh rotor hay vòng cuối là một trong những lỗi thường gặp trong động cơ cảm ứng và thường liên quan đến ứng suất nhiệt do quá tải và mất cân bằng nhiệt, ứng suất từ do lực điện từ, lực kéo từ không cân bằng, nhiễu điện từ và rung động, ứng suất dư trong quá trình chế tạo và ứng suất môi trường gây ra bởi nhiễm bẩn và mài mòn vật liệu rotor do hóa chất hoặc độ ẩm Nếu một hoặc nhiều thanh rotor hay vòng cuối bị gãy, các thanh khỏe mạnh buộc phải mang thêm dòng điện dẫn đến hư hỏng lõi rotor do nhiệt độ cao liên tục ở vùng lân cận của các thanh bị hỏng Các thanh bị gãy gây ra dao động mô-men xoắn và tốc độ trong rotor, gây ra mòn sớm các ổ trục và các bộ phận dẫn động khác Nếu có đủ các thanh rotor\ bị hỏng, động cơ có thể không khởi động được từ đó khiến động cơ bị hư hỏng nặng nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời [7]
Hình 2.6 Lỗi gãy thanh kết nối của động cơ rotor lồng sóc
Hình 2.7 Sơ đồ xương cá lỗi về điện
Lỗi ổ trục Ổ trục là một trong những thành phần máy móc đóng một vai trò rất quan trọng vì nó chi phối hiệu suất của máy Nếu một trong các ổ trục bị hỏng, không chỉ có máy mà cả dây chuyền sản xuất cũng phải dừng lại và chi phí phát sinh có thể rất cao Hầu hết các ổ trục trong các cơ sở công nghiệp đều chạy trong điều kiện không lý tưởng và chịu mỏi, rung động cơ học xung quanh, quá tải, lệch trục, nhiễm bẩn, ăn mòn và bôi trơn sai Các điều kiện không lý tưởng này bắt đầu như các khuyết tật biên lan rộng và lan truyền trên rãnh trong, rãnh ngoài và các phần tử con lăn Sau một thời gian, khuyết tật trở nên đáng kể và tạo ra rung động cơ học gây ra tiếng ồn âm thanh Về cơ bản, lỗi ổ trục có thể được phân loại là rãnh ngoài, rãnh trong, lỗi bi và lỗi lồng là những nguyên nhân chính gây ra rung động máy [12]
(a) Khuyết tật rãnh ngoài (b) Khuyết tật rãnh trong
Hình 2.8 Khuyết tật trên ổ trục
Sự uốn cong trong trục có thể được phát triển theo một số cách, chẳng hạn như do nhão, biến dạng nhiệt hoặc một lực mất cân bằng lớn Trục cong tạo ra hư hỏng không được dự đoán của máy quay như rung động quá mức và có thể dẫn đến thiệt hại kinh tế đáng kể
Bôi trơn là một trong những yếu tố quan trọng nhất Quyết định hiệu suất của ổ trục và được sử dụng giữa các bề mặt tiếp xúc, để giữ cho các bộ phận chuyển động liên tục với mục đích giảm ma sát, chống mài mòn vật liệu, tản nhiệt, loại bỏ các hạt mài mòn rắn và chất gây ô nhiễm, chống ăn mòn, tăng hiệu quả làm kín của các vòng đệm Quá trình hoạt động và tuổi thọ của ổ trục sẽ phụ thuộc rất nhiều vào việc sử dụng hệ thống dầu bôi trơn và phương pháp bôi trơn
Những yếu tố gây hỏng hóc phổ biến nhất của ổ trục bôi trơn bằng dầu mỡ là: chất bôi trơn không phù hợp, thiếu chất bôi trơn, quá mức chất bôi trơn, điều kiện hoạt động quá nóng, nhiễm chất gây ô nhiễm rắn, nhiễm ẩm, trộn lẫn các loại chất bôi trơn khác nhau và các chất gây ô nhiễm khác Do đó, để đảm bảo ổ trục hoạt động hiệu quả và kéo dài tuổi thọ, cần lựa chọn hợp lý chất bôi trơn cũng như phương pháp bôi trơn phù hợp.
Hình 2.9 Chất bôi trơn bị biến chất quạt MB07601
Máy điện quay có khe hở không khí nhỏ giữa rotor và stator Từ trường hoạt động trong khe hở không khí tạo ra lực điện từ tác động lên cấu trúc máy Lý tưởng là độ dày khe hở không khí không đổi dọc theo toàn bộ chu vi và các lực điện từ triệt tiêu lẫn nhau Trên thực tế chiều dày khe hở không khí không đều dọc theo toàn bộ chu vi do sai lệch Hình học của stator và rotor hay do mòn ở ổ, độ lệch tâm tĩnh hoặc độ lệch tâm động Do đó lực điện từ không triệt tiêu lẫn nhau làm sinh ra lực đó được gọi là lực kéo từ không cân bằng (unbalanced magnetic pull UMP) Điều này gây ra sự đẩy nhanh quá trình hư hỏng ổ trục, cọ xát giữa rotor với stator gây ra rung động và tiếng ồn không mong muốn, dẫn đến hỏng động cơ sớm
Hình 2.10: Rotor bị cọ xát (quạt MB07605: 450kW, 6.6kV, 988v/p) tại nhà máy Đạm Cà Mau
Hình 2.11 Sơ đồ xương cá lỗi về cơ
QUY TRÌNH GIÁM SÁT BẢO TRÌ
Phương pháp bảo trì theo tình trạng
Bảo trì dựa trên tình trạng (PdM) có thể được xem là một hệ thống theo dõi sản xuất trực tuyến Trong đó mối quan tâm chính là an toàn trong quá trình vận hành PdM sẽ làm giảm sự cố các máy móc thông qua dự đoán, xác định vị trí các bộ phận lỗi của máy và ước tính tình trạng của máy Dữ liệu được thu thập chính xác từ các thông số được theo dõi bao gồm thông số của các quá trình, độ rung, nhiệt độ, điện áp và dòng điện PdM cho phép nhân viên bảo trì đạt được các biện pháp khắc phục cần thiết vào thời điểm thích hợp trước khi xảy ra sự cố Bên cạnh đó việc theo dõi trực tuyến các máy móc cũng được thực hiện khi máy đang hoạt động Điều này không chỉ làm giảm thời gian bị dừng của thiết bị mà còn tận dụng thời gian của nhân viên một cách hiệu quả thông qua việc bố trí phụ tùng thay thế kịp thời, do đó cho phép tiến hành bảo trì vào thời điểm thích hợp Tất cả các yếu tố nói trên tạo thành các yếu tố thiết yếu trong việc giảm chi phí sản xuất
3.1.2 Lợi ích của phương pháp
Những ưu điểm đạt được khi áp dụng chiến lược bảo trì giám sát tình trạng
PdM (Predictive Maintrenance or Condition – Based maintenance) bao gồm:
Đảm bảo thời gian hoạt động dài hơn
Giảm số lượng sự cố ngoài kế hoạch
Giảm tổng chi phí bảo trì
Tăng cường an toàn cho người vận hành và thiết bị
Nâng cao hiệu quả sản xuất
Giảm tồn kho phụ tùng thay thế
Cải thiện độ tin cậy và tính sẵn sàng của máy
Cải thiện hiệu suất và năng suất của máy móc
Chiến lược giám sát toàn bộ tình trạng của Predictive Maintenance (PdM) cung cấp thông tin chính xác về tình trạng máy móc hiện tại Nhờ đó, có thể dự đoán chính xác nhu cầu bảo trì trước khi xảy ra hư hỏng hay hỏng hóc nghiêm trọng của động cơ Để đạt được điều này cần phải kết hợp rõ ràng giữa việc xác định vị trí lỗi, chẩn đoán nguyên nhân cùng với ước tính tuổi thọ hữu ích còn lại của hệ thống máy móc thiết bị.
Hiện nay, phương pháp bảo trì theo tình trạng (CBM) đang được ứng dụng rộng rãi tại các nhà máy công nghiệp lớn ở Việt Nam, đặc biệt trong các nhà máy khâu sau của ngành Dầu khí như Nhà máy Đạm Cà Mau, Đạm Phú Mỹ, Nhà máy Lọc hóa dầu Bình Sơn và các Nhà máy điện lực dầu khí.
3.1.4 Lưu đồ trình tự các bước giám sát bảo trì
Giám sát, đánh giá chẩn đoán tình trạng động cơ công suất lớn tại Nhà máy Đạm Cà Mau là hoạt động nằm trong chương trình bảo trì, bảo dưỡng định kỳ, trong đó các thông số của thiết bị sẽ được giám sát liên tục để phát hiện những thay đổi bất thường so với hoạt động thông thường Bất cứ sự thay đổi nào cũng có thể chỉ ra hỏng hóc hiện tại hoặc tiềm ẩn, giúp người giám sát có cái nhìn sâu sắc về trạng thái thiết bị và lên kế hoạch kiểm soát cụ thể, ngăn ngừa hư hỏng không mong muốn.
Hệ thống các động cơ điện công suất lớn tại nhà máy điều được giám sát liên tục 24/24 thông qua hệ thống giám sát máy động system #1 và hệ thống điều khiển mạng điện (ECS) Với hệ thống system #1 đây là hệ thống điều khiển phân tán (DCS) với các trạm vận hành (OS) được đặt tại phòng điều khiển trung tâm và tại đây các thông số như về độ rung, nhiệt độ trên động cơ đều được đưa về hệ thống để phục vụ cho quá trình giám sát, chẩn đoán Với hệ thống điều khiển mạng điện (ECS) dùng để giám sát và điều khiển hệ thống cung cấp điện của nhà máy Các thông số như điện áp, dòng điện, tần số, hệ số công suất được hiển thị Khi có bất kỳ sự thay đổi nào về mặt thông số vận hành cũng như tình trạng làm việc của thiết bị đều được người giám sát vận hành kiểm tra, đánh giá so sánh với giá trị tham chiếu (set point) để từ đó đưa ra những yêu cầu cho nhóm đánh giá chẩn đoán tìm nguyên nhân gốc
Yêu cầu hành động? Cảnh báo?
Kết thúc không có có không có không có không
Hình 3.1 Lưu đồ giám sát tình trạng động cơ công suất lớn
P07602 Circle Pump for Dust Scubber B07603 Induced Fan for Dust Scrubber
B07605 Forced Fan for Product Cooler B07602 Forced Fan for
Hình 3.2 Giao diện hệ thống giám sát máy động system #1 a) Dao diện MB07601 b) Dao diện MB07603 c) Dao diện quạt B07602 d) Dao diện MB07605 e) Dao diện MP07602
Hình 3.3 Giao diện hệ thống điều khiển mạng điện ECS
Nhiệm vụ đầy thách thức tiếp theo là xác định nguyên nhân của sự thay đổi Nhóm đánh giá chuẩn đoán phối hợp với đơn vị bảo dưỡng tiến hành thực hiện việc đo đạt thu thập số liệu, ghi nhận các biểu đồ về xu hướng thay đổi trước đó, đánh giá chuyên sâu tương ứng với phân vùng và các điều kiện vận hành công nghệ Kết quả đánh giá cũng được so sánh với các tiêu chuẩn tham chiếu IEC, IEEE, ISO, các dữ liệu bảo trì thiết bị và các hỏng hóc trước đó (nếu có) Để từ đó xác định xem liệu những thay đổi, nó có tạo thành mối đe dọa đối với hoạt động liên tục, tin cậy của máy hay không
Nhiệm vụ thứ hai của nhóm là thách thức nhất trong lĩnh vực giám sát tình trạng, dự đoán trạng thái của máy sẽ như thế nào trong tương lai gần (tiên lượng) Để từ đó có thể đưa ra những cảnh báo cho người vận hành hoặc các hành động khắc phục (nếu có) để lên kết hoạch vật tư, nhân lực, công cụ, dụng cụ cho công tác xử lý
Việc thực hiện bảo dưỡng được cụ thể hóa thành từng bước tương ứng theo loại hình bảo dưỡng: bảo dưỡng định kỳ, bảo dưỡng sửa chữa đột xuất và bảo dưỡng sửa chữa khẩn cấp Cách thức này giúp đánh giá hiệu quả công tác bảo dưỡng, đồng thời tăng cường phối hợp chặt chẽ giữa các đơn vị trong nhà máy.
3.1.5 Các bước triển khai trong công tác phối hợp giám sát tình trạng
Bước 1: Hàng ca, nhân sự các xưởng vận hành sẽ theo dõi thông tin tình trạng, thông số vận hành của thiết bị trên hệ thống điều khiển phân tán, đo đạc, ghi nhận các âm thanh bất thường, thông số độ rung vận tốc/gia tốc cơ bản bằng máy đo cầm tay đối với các thiết bị không có đầu dò giám sát trực tuyến vào nhật ký Vận hành sẽ báo cáo tình trạng bất thường của thiết bị thông qua ca trực hoặc liên hệ trực tiếp nhóm phụ trách PdM trong trường hợp khẩn cấp
Bước 2: Kỹ thuật viên PdM thực hiện đo đạc định kỳ theo chiến lược bảo dưỡng sửa chữa, theo dõi thường xuyên các thiết bị đang có vấn đề hư hỏng ở mức cảnh báo và thực hiện các đánh giá sơ bộ tình trạng thiết bị đề xuất giải pháp xử lý Hàng tuần, phụ trách PdM sẽ thực hiện báo cáo tình trạng các thiết bị được giám Phụ trách PdM sử dụng các máy công cụ đo như Microlog-Analyzer-AX-CMXA-80 cho việc giám sát rung động, Emax cho việc giám sát tín hiệu dòng điện trên động cơ để thu thập dữ liệu theo phiếu yêu cầu thực hiện công việc (WO), đổ dữ liệu vào phần mềm quản lý dữ liệu PdM, thực hiện cập nhật tình trạng thiết bị
Bước 3: Đánh giá toàn diện các thông số của thiết bị khi có hư hỏng quan trọng, áp dụng các công nghệ chuẩn đoán sớm các hư hỏng, mức độ hư hỏng, ước lượng vòng đời các phần tử bị lỗi Tìm ra nguyên nhân hư hỏng đề xuất giải pháp xử lý, thời điểm dừng thiết bị, chuẩn bị vật tư, nhân sự để thực hiện sửa chữa.
Kỹ thuật giám sát tình trạng
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong những năm gần đây Lĩnh vực giám sát tình trạng động cơ đang trở thành một thực tiễn cần thiết, để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của các nhà máy công nghiệp hiện đại với mức độ tự động hóa rất cao Nhiều công nghệ đã được thực hiện để bảo vệ thiết bị và phát hiện nguyên nhân gây ra sự cố kể từ khi thiết lập hệ thống Nhiều loại thiết bị bảo vệ khác nhau đã được sử dụng để theo dõi tình trạng sức khỏe của máy, nhưng chung quy lại các kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất được mô tả bên dưới
Hình 3.4 Thành phần chính của hệ thống DCS Đạm Cà Mau Đây là hệ thống điều khiển phân tán có chức năng vận hành, điều khiển, giám sát, theo dõi trend, alarm của thiết bị 24/24 Tại đây các thông số của động cơ như nhiệt độ, độ rung, cường độ điện đều được người vận hành theo dõi ghi nhận Nếu có bất kỳ sự dao động nào và cần có sự đánh giá chuyên sâu về phổ, nhóm kỹ sư chuyên môn sẽ quan sát trên hệ thống System #1
Hình 3.5 Các giá trị dữ liệu hiển thị trên hệ thống chuẩn đoán SYSTEM #1
Kiểm tra bằng mắt là một thực hành cơ bản và là kỹ thuật PdM được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp Nó được tiến hành bởi những vận hành viên hoặc cá nhân có kinh nghiệm Những người này sẽ kiểm tra trực quan động cơ để đánh giá thực tế tình trạng của nó và để phát hiện bất kỳ sự xuống cấp, hư hỏng hoặc thay đổi tiềm ẩn nào về Hình thức bên ngoài Các công cụ và thiết bị cầm tay có thể được sử dụng để kiểm tra bằng mắt, nhằm thu được kết quả chính xác và đáng tin cậy hơn Cũng như giúp người kiểm tra các bộ phận không rõ ràng hoặc không nhìn thấy trực tiếp
Kiểm tra trực quan cung cấp thông tin tức thì về tình trạng máy móc Những bất lợi chính của việc kiểm tra bằng mắt bao gồm:
Kiểm tra trên cơ sở riêng lẻ, các vận hành viên kiểm tra khác nhau có thể cung cấp các báo cáo khác nhau trên cùng một động cơ vì mọi người có các kỹ năng, nền tảng và kiến thức khác nhau
Giới hạn ở các thành phần và bộ phận có thể nhìn thấy rõ ràng
Hầu hết các yêu cầu là phải được tiến hành, mặc dù một số kiểm tra cần được thực hiện trong khi máy đang chạy
Cần được tiến hành bởi những người vận hành và bảo trì có kinh nghiệm và tay nghề cao Do đó cần nhiều lực lượng lao động và thời gian bảo trì hơn
Tuy nhiên, nhấn mạnh rằng việc kiểm tra trực quan máy móc và hệ thống là rất quan trọng và phải được thực hiện thường xuyên trong nhà máy Vì nó có thể phát hiện các vấn đề tiềm ẩn như vết nứt, ăn mòn và rò rỉ mà các kỹ thuật PdM khác có thể bỏ sót Việc kiểm tra bằng mắt thường xuyên đối với tất cả các máy móc quan trọng sẽ tăng cường toàn bộ hệ thống giám sát tình trạng và phát hiện các lỗi tiềm ẩn trước khi có thể xảy ra hư hỏng nghiêm trọng
Phương pháp đo nhiệt độ hoặc theo dõi nhiệt độ được thực hiện bằng cách sử dụng các cảm biến để theo dõi ở các khu vực cụ thể như cuộn dây dẫn stator, ổ trục và chất lỏng làm mát của các máy điện lớn Các phép đo cho biết các thay đổi tổng thể đang diễn ra trong máy nhưng chúng cực kỳ hiệu quả nếu được gắn và giám sát ở các vị trí được lựa chọn cẩn thận Khi phép đo nhiệt độ được kết hợp với thông tin về tải và điều kiện môi trường xung quanh của máy, nó cung cấp thông tin giám sát có giá trị Đối với ổ trục thường nhiệt độ được theo dõi cùng với cảm biến rung động, phép đo nhiệt độ cung cấp cách tiếp cận tiêu chuẩn để đánh giá và ước tính tình trạng của máy
Hình 3.6 Đầu dò nhiệt độ lắp đặt trên ổ trục MP04301, 3,3MW, 6,6kV
3.2.2.1 Đặc tính vật liệu và nhiệt độ chịu đựng trong máy điện
Các mạch từ và mạch điện cần thiết cho các máy điện yêu cầu vật liệu có độ từ thẩm cao và điện trở suất thấp và chúng thường được làm bằng kim loại Các kim loại có tính chất từ và điện tốt khi sử dụng cho động cơ thì không nhất thiết phải có độ bền cơ học cao Tuy nhiên các mạch từ và điện của máy phải chịu các tải cơ học tác động lên chúng bằng cách truyền năng lượng qua khe hở không khí (airgap) Hơn nữa các mạch từ và mạch điện phải được ngăn cách bằng các vật liệu cách điện, chẳng hạn như film, sợi và nhựa thông Những vật liệu này thậm chí còn có tính chất cơ học yếu hơn Do đó ngay từ đầu người thiết kế cố gắng lựa chọn các vật liệu thép điện, vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện để đáp ứng môi trường làm việc cũng như chế độ vận hành của thiết bị nhằm đảm bảo nằm trong giới hạn của nhiệt độ cho phép
Bảng 3.1 Tính chất cơ học của vật liệu dùng trong máy điện
Vật liệu Mô đun đàn hồi
(Gpa) Độ bền kéo (Mpa)
Thép kỹ thuật điện 220 450 Đồng 120 210
Nhựa hữu cơ/vô cơ đúc 5 48
Hình 3.7 Lá thép lõi stator
Bên cạnh đó, việc truyền năng lượng chắc chắn bao gồm sự tiêu tán nhiệt bởi tổn hao đồng trong mạch điện, bởi dòng điện xoáy và tổn hao từ trễ trong mạch từ Hiệu suất của các vật liệu cách điện ngăn cách các mạch này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và bị suy giảm nhanh chóng ở nhiệt độ cao hơn Giới hạn đánh giá của máy điện được thiết lập bởi nhiệt độ tối đa cho phép đối với vật liệu cách nhiệt
Bảng 3.2 Khả năng chịu nhiệt của vật liệu cách điện
Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép Vật liệu cách điện, cách nhiệt
Y 90 Vật liệu sợi tự nhiên, bông, lụa, giấy, gỗ mà không cần ngâm tẩm
Vật liệu sợi tự nhiên, bông, lụa, giấy và gỗ được ngâm tẩm, tráng hoặc ngâm trong chất lỏng điện môi như dầu
Dây được ngâm tẩm hoặc tráng men bằng nhựa tổng hợp không chứa các vật liệu dạng sợi như bông, lụa hoặc giấy nhưng bao gồm các phenol, alkyd và leatheroid
Sự kết hợp giữa mica, thủy tinh và giấy với liên kết hữu cơ tự nhiên, các chất ngâm tẩm hoặc phủ bao gồm nhựa shellac, bitum và polyester
Sự kết hợp của mica, thủy tinh, phim và giấy với các chất liên kết vô cơ tổng hợp, ngâm tẩm hoặc phủ bao gồm nhựa epoxy và polyester
Kết hợp mica, giấy, thủy tinh hoặc amiăng với các chất liên kết tổng hợp, ngâm tẩm hoặc phủ bao gồm nhựa epoxy, polymide và silicone
Sự kết hợp của các loại amiăng, mica, thủy tinh, sứ, thạch anh và các silicat khác tạo nên vật liệu hỗn hợp, có thể có hoặc không có liên kết tổng hợp nhiệt độ cao, chất ngâm tẩm hoặc phủ silicone.
Hình 3.8 Bin dây stator động cơ điện áp 6.6kV 3.2.2.2 Phương pháp đo nhiệt độ
Giới hạn đánh giá của động cơ điện do nhiệt độ cực đại cho phép của vật liệu Vì vậy, giám sát nhiệt độ động cơ điện là rất quan trọng và Nhà máy Đạm Cà Mau áp dụng các cách tiếp cận sau:
Đo nhiệt độ sử dụng đầu dò nhiệt điện trở (RTD)
Nhiệt kế không tiếp xúc hay nhiệt kế hồng ngoại
Hình 3.9 Các đầu dò nhiệt độ
Các thiết bị RTD thường được chế tạo với điện trở cơ bản là 100 Ohm ở 0 ◦ C và có ưu điểm là tuyến tính trên một phạm vi hoạt động rộng, có độ chính xác rất tốt và là lựa chọn thông thường của các nhà sản xuất máy điện để chèn giữa các dây dẫn, cuộn dây trong các khe máy Chúng thường được sử dụng trong cấu Hình ba dây và bốn dây của cầu Wheatstone
Các cách nối từ nhiệt điện trở đến converter tại nhà máy Đạm Cà Mau:
Cách nối 3: Dây có thể sử dụng khi kéo ra đến converter cách xa 600m Cách kết nối này dùng dây bù đã loại bỏ được điện trở dây trong mạch cầu, kết quả đo là chính xác
Cách nối 4: Dây cho kết quả chính xác và được sử dụng trong các phòng thí nghiệm
Hình 3.10 Các kiểu nối dây RTD a) Mạch kết nối 3 dây b) Mạch kết nối 4 dây
3.2.2.3 Đo nhiệt độ cục bộ Để giám sát quá trình hoạt động của các máy điện công suất lớn Các đầu dò nhiệt độ như RTD, thermocouple thường được lắp đặt vào trong cuộn dây stator, lõi stator và trên các gối đở của vòng bi Để theo dõi tình trạng cũng như việc bảo vệ các phần tử của thiết bị trong quá trình vận hành Hầu hết các sự cố về cách điện gây ra bởi sự suy giảm dần của lớp cách nhiệt do hoạt động lâu dài ở nhiệt độ cao
Lệch tâm
Lệch tâm là sự không trùng tâm giữa rotor và stator Các nguyên nhân chính gây lệch tâm bao gồm sai số chế tạo, lõi stator không chuẩn, định vị ổ trục không chính xác hoặc mòn ổ trục Lệch tâm tĩnh xảy ra khi tâm hình học của rôto trùng với tâm quay nhưng dịch chuyển so với tâm hình học của stato Lệch tâm động xảy ra khi tâm hình học của rôto khác với tâm quay Lệch tâm hỗn hợp kết hợp cả hai hiệu ứng trên Lệch tâm tĩnh gây ra khi trục rôto không thẳng hàng trong stato do sai số chế tạo, stato hình bầu dục, định vị ổ trục không chính xác hoặc mòn ổ trục Lệch tâm động do sai số chế tạo, mòn ổ trục, trục bị uốn cong hoặc mềm, hoặc do lệch tâm tĩnh cao Lệch tâm tĩnh hoặc động cao có thể dẫn đến tiếp xúc cơ học giữa rôto và stato, gây hư hỏng nghiêm trọng cho máy.
Việc đánh giá độ lệch tâm bằng phương pháp phân tích phổ dòng điện stator cũng được đề cập trong các nghiên cứu Các thành phần dòng điện stator thể hiện sự gia tăng với độ lệch tâm thường được viết dưới dạng thu gọn:
( ) Trong đó: n rt : Sóng hài rãnh rotor f r : Tần số quay rotor μ s : Bậc sóng hài thời gian của lực điện động stator
Hình 4.1 Lệch tâm (a) Lệch tâm tĩnh (b) Lệch tâm động (c) Lệch tâm hỗn hợp
4.1.1 Độ dài khe hở không khí
Cấu Hình Hình học cho sự dịch chuyển rotor được hiển thị trong Hình 4.2 [13]
Hình 4.2 Sự dịch chuyển rotor so với tâm stator
Bề mặt bên trong stator r s (θ) với bán kính R s được cho bởi phương trình sau trong tọa độ cực (r,θ):
Với θ: Vị trí góc xung quan chu vi
Nếu tâm C r của rotor ở (a,b) theo hệ tọa độ đề các thì bề mặt ngoài của rotor được cho ở tọa độ đề các (x, y) bởi phương trình đường tròn:
Với x = r r cosθ và y = r r sinθ, phương trình (4.3) được biến đổi thành tọa độ cực (r r ,θ) Một phương trình bậc hai nhận được đối với bán kính r r (θ) của bề mặt ngoài rotor với nghiệm của phương trình là:
√ Biểu thức của độ dài khe hở không khí g(θ):
Trong máy điện cảm ứng khe hở không khí nói chung tương đối nhỏ so với bán kính R r của rotor Do đó độ dịch chuyển rotor được mô tả bởi a và b cũng nhỏ so với R r và g(θ) thường được tính gần đúng:
Trong đó g 0 = R s - R r là độ dài đường khe hở không khí trung bình không có độ lệch tâm
Các tham số a và b trong biểu thức của độ dài khe hở không khí có các biểu thức khác nhau đối với loại độ lệch tâm δ s và δ d lần lượt biểu thị mức độ lệch tâm tĩnh và động đối với độ dài khe hở không khí trung bình g 0 Lưu ý δ s + δ d