Fiberoptik Titreşim Sensörleri
Fiberoptik titreşim sensörü nedir? Ne amaçla kullanılır? Nasıl çalışır? Nasıl monte edilir? Çıktıları nasıl değerlendirilir? Bu soruların yanıtlarını bu makalemizde bulacaksınız.
Nedir?
Mekanik titreşim ivmesini fiberoptik prensiple ölçebilen sensördür.
Ne işe yarar?
Kısaca özetlemek gerekirse:
Turbojeneratörlerin sargı uçlarında oluşan titreşimler zamanla sargı izolasyonunun bozulmasına neden olur. Bu durum da generatörde uzun vadede büyük arızalar ve beklenmeyen duruşlarla sonuçlanır. Bu nedenle sargı ucu titreşimlerinin sürekli olarak takip altında tutulması gereklidir. Bunun için, generatör içerisindeki manyetik alandan etkilenmeyen fiberoptik titreşim sensörleri kullanılır.
Şimdi biraz daha detaya inelim:
Stator çekirdeğinin dışındaki generatör stator sargılarına “sargı uçları” denir. Sargı uçları yüksek voltajdadır ve manyetik ve mekanik kuvvetler nedeniyle oluşan titreşimlere karşı dayanıklı olmaları gerekir. Mevcut işletme uygulamaları, büyük pompaj depolamalı hidrojeneratörlerin ve turbo jeneratörlerin rotorları ve statorları üzerinde ciddi termal ve mekanik gerilimler yaratmaktadır. Böyle bir işletme uygulaması, makinaların günlük olarak birden fazla çalıştırılmasını ve durdurulmasını gerektirir; bu da erken yaşlanmaya ve kalkış-duruşa bağlı stator sargısının bozulmasına yol açabilir. Yük geçişleri sırasında, sargı uçlarındaki kuvvetler normal çalışmadakinden 100 kat daha fazla olabilmektedir. Generatör sargı uçları, normal koşullar altında bu titreşimlerin yol açabileceği önemli hareketleri önleyebilecek şekilde tasarlanmıştır. Ancak, sargı ucu dayanıklılığı aşağıdaki sebeplerden ötürü bozulabilir:
01.
Mekanik yaşlanma ve termal genleşme nedeniyle sargı ucu desteğinin ve bağ yapısının gevşemesi
02.
Bileşenler arasındaki göreli hareket nedeniyle sargılardaki yüksek voltaj yalıtımının aşınması
03.
Rotor dönüş frekansı ve şebeke frekansının iki katındaki bileşenlere yakın rezonans koşulları
Sargı ucu titreşimleri, stator yuvasının hemen dışında sargı/çubuk yalıtımının çatlamasına yol açabilir ve ciddi durumlarda bakır iletkenlerin yorulma çatlamasına ve yüksek ark akımlarına neden olabilir. Sonuç olarak, bu sorunlardan herhangi biri stator sargı topraklama arızalarına yol açabilir.
Pompaj depolama, hidrojeneratör ve nükleer turbojeneratör tasarımları, son derece uzun sargı ucu mekanizmalarına ve güçlü mekanik ve elektriksel gerilime maruz kalan karmaşık yataklama sistemlerine sahiptir. Kullanım ömrünün uzatılması ve emre amadeliğin arttırılması, yalnızca sargı ucu yapılarının ve stator çubuklarının beklenen arıza kriterleri açısından sürekli izlenmesiyle sağlanabilir.
Sargı uçlarındaki titreşimlerin geleneksel titreşim sensörleri ile ölçülmesi mümkün değildir çünkü yüksek akımlara yakın mesafedeki metalik malzemeler manyetik alan nedeniyle ısınacaktır. Metalik ivmeölçerler, sargı ucunun toprağa olan elektriksel yalıtımını tehlikeye atabilir ve kısmî deşarja neden olabilir. Ancak metalik olmayan fiber optik ivmeölçerlerin geliştirilmesiyle sargı uçlarının titreşimlerini izlemek mümkün hale gelmiştir.
Nasıl çalışır?
Sensör 3 ana bileşenden oluşur: Gövde, kablo ve koşullandırıcı. Sensör gövdesinde ve kablosunda metal aksam bulunmamaktadır. Sensör gövdesi polimer ve seramikten üretilir. Sensör kablosu esnek ve endüstriyel koşullara dayanıklı PTFE korumaya sahip bir fiberoptik kablodur. Kablonun bağlı olduğu koşullandırıcı ise generatörün dışına sinyal kablosunun güvenli olarak çıkışına izin verebilmek için bir sızdırmaz flanşa monte edilebilecek şekilde tasarlanmıştır. Koşullandırıcıda üretilen ışık fiberoptik kablo üzerinden sensöre ulaşır ve sensörün içerisinde yer alan ayna mekanizmasına vurur. Makinanın titreşimi ile aynanın titreşmesi sonucu salınım yapan ışık fiberoptik kablodan koşullandırıcıya geri ulaşır ve burada ışığın dalgalı kısmı demodüle edilerek makina titreşimi ile doğru orantılı voltaj çıkışı elde edilir. Koşullandırıcı elektroniği genellikle 24VDC ile beslenir ve çıkış olarak 6VDC bias voltajına sahip dinamik bir sinyal verir. Sinyal titreşimin ivmesi ile doğru orantılıdır ve genellikle 100 mV/g duyarlılığa sahiptir. Sensörün tipik lineer frekans cevabı 10 Hz ile 400 Hz aralığındadır. Şebeke frekansının 2 katı frekansındaki titreşim (Türkiye için 100 Hz) frekansı ile ilgilendiğimiz için yukarıda bahsedilen ölçüm frekans aralığı yeterli olmaktadır.
Nasıl monte edilir?
Turbogeneratörlerde her iki taraftaki sargı uçlarında çevresel olarak monte edilmiş 6’şar adet fiberoptik titreşim sensörü kullanılır. Dolayısıyla bir turbojeneratörde toplam 12 adet sensör bulunur.Sensör monte edilecek sargı uçlarını belirlemek için tüm sargı uçlarına darbe testi (bump test) uygulanır ve dayanıklılığı/sağlamlığı/rijitliği en düşük olanları arasından seçim yapılır. Hidroelektrik santrallardaki generatörlerde de en zayıf sargılara monte edilmek üzere en az 3 adet sensör kullanılabilir. Sensör monte edilirken de metal aksam kullanılmaz, sensör cam fiber bandajlarla sargı uçlarına sarılır ve verniklenir. Sensör kablosu sallanmayacak şekilde tutturulur, polyamid spirallerden geçirilir. Sensör kablosunun ucunda bulunan koşullandırıcı ünitesi, generatörün dışına sızdırmaz şekilde kablo çıkışı sağlamak üzere tasarlanan bir flanşa monte edilir.
Sinyaller nasıl değerlendirilir?
Sensörden gelen sinyal standart bir online vibrasyon izleme cihazında takip edilerek analiz edilebilir. İvme sinyali hıza ve yer değişimine integrasyon yoluyla dönüştürülebilir. Bazı sensörler bu integrasyonu koşullandırıcı üniteleri içerisinde yaparlar. Genel seviye izlemeye (trend analizine) ilaveten FFT frekans analizi yapılması ile şebeke frekansının 2 katındaki (Türkiye için 100 Hz frekansındaki) titreşim bileşeninin genliği takip edilebilir. Online sargı ucu titreşim izleme konusunu kapsayan IEC 60034-32 adlı bir standard mevcuttur. Bu standard güvenli titreşim sınırları tanımlaması yapmamaktadır, ancak diğer bir standart olan IEEE 1129-2014, titreşim genliğinin 250 μm tepeden-tepeye değerini aşması durumunda aksiyon alınması gerektiğini belirtir.
Referanslar
MC-Monitoring FAS-110 fiber optik ivmeölçer teknik dokümanı
I. Culbert, B. Lloyd, G. Stone, 2015, Relative Merits of Off-Line and On-Line Testing of Rotating Machine Stator and Rotor Windings
J. Letal, M. Sasic, M. Teixeira, 2016, Endwinding Vibration Monitoring of Turbogenerators, ENA, Rio de Janeiro, Brazil
Generatörlerinizde sargı ucu titreşimlerinin takibi için bizimle iletişime geçebilirsiniz. MC-Monitoring firmasının sensör, izleme donanımı ve yazılım çözümleri ile sizlere yardımcı olmaktan memnuniyet duyarız. VOCE DANIŞMANLIK San. ve Tic. Ltd. Şti.
