1 Inledning
Inledningsavsnittet behandlar bakgrund, problem- och målformulering samt projektets avgränsningar.
1.1
Bakgrund
Vattenfall är ett europeiskt energiföretag som strävar efter att bli fossilfria. Vattenfall investerar i att öka andelen energiproduktion med låg koldioxidutsläpp. I Sverige har Vattenfall två kärnkraftverks anläggningar den ena i Ringhals med fyra reaktorer var av de två äldsta reaktorerna har lagts ned sedan 2019 samt i Forsmark med tre aktiva reaktorer. Kärnkraften utgör en stor del av Sveriges elproduktion då det stod för 30% av elproduktionen år 2020. [1]
För den pågående energiomställningen till fossilfri elproduktion spelar kärnkraftverken en viktig roll då de producerar en stor mängd el med låg koldioxidutsläpp samt att det är en klimatneutral och kostnadseffektiv energikälla.
Synen på användning av kärnkraft har alltid varit ifrågasatt, största anledningen till detta är olyckan i både Chernobyl år 1986 och Fukushima år 2011. I båda fallen uppstod komplikationer och haveri som resulterade i härdsmälta samt en explosion. Vilket spred radioaktiva ämnen i luft och vatten som sedan resulterade i ett förhöjt
radioaktivitetshalt främst vid Chernobyl olyckan som påverkade större delar av Europa.
Därav anser många att kärnkraft är en osäker energikälla med höga risker. [2] [3]
Vattenfall strävar efter att ständigt förbättra och höja säkerheten på sina kärnkraftverk.
Eftersom Vattenfall äger en majoritet av kärnkraft i Nordeuropa har säkerheten en stor betydelse för företaget. Genom att ha investerat under en tio års period på att
modernisera sina anläggningar i Sverige har säkerheten höjts och man strävar ständigt efter att utvecklas och förebygga framtida olyckor samt kunna fortsätta använda
kärnkraft som en energikälla. [1]
2 1.2 Problemformulering
Termografering är en känd metod som används inom ett flertal områden, mestadels vid tillståndskontroll av främst el-utrustningar. Termografering som metod förväntas kunna användas inom andra områden för att tidigt detektera begynnande avvikelser från det normala, vilket på sikt skulle förhindra att haveri och kostsamma underhåll uppstår.
1.3 Målformulering
Målet med detta arbete är undersöka ifall Vattenfall AB i Ringhals potentiellt ska investera i användning av termografering för driftklarhetverifiering. Alternativt se om det kan tillämpas tillsammans med andra mätmetoden som exempelvis
vibrationsmätning. Syftet är att framföra ifall termografering är ett bra
investeringsalternativ. Undersökningen har bestått utav totalt 10 veckor inklusive fyra veckors fältstudie i Ringhals kärnkraftverk. Där system som efterliknar sprinkelsystem 322 sågs över med termografering för att kunna få fram förbättringsförslag på hur Vattenfall i Ringhals kan använda sig utav termografering på bästa möjliga sätt.
1.4 Avgränsning
• Undersöka system allmänt som har liknande uppbyggnad som system 322.
• Huvudkomponenterna (pumpen, axelkopplingar och elmotorn) kommer ses över med värmekamera.
• Andra system som påverkar huvudkomponenterna kommer inte ses över utan fokuset kommer ligga på de potentiella avvikelser som kan uppstå i det
efterliknande systemet som valts.
• Arbetet kommer endast att baseras på anläggningen i Ringhals.
• Enbart förslag på förbättringar samt användningsområden där termografering anses vara en lämplig investering.
3
4
2 Metod
I följande avsnitt redogörs hur examensarbetet utförts. Här beskrivs även vilka metoder/verktyg som används och varför det var gynnande för detta arbete.
2.1
Litteraturstudier
För att få en tydligare bild av det tilldelade uppdraget gjordes litteraturstudier. Med den information som framtagits gavs en bättre uppfattning om vad termografering innebär både praktiskt och teoretiskt. Sprinkelsystemets funktion, sambanden mellan
involverade komponenter. Men även vilket syfte varje enskild komponent har för ett fungerande system.
2.2
Datainsamling
Med hjälp av den information som givits av datainsamlingen som gjordes. Gav det en tydlig överblick över nuläget, analysen samt förstudier som behövdes för en djupare förståelse av arbetet.
2.3
Fältstudier
Fyra veckors fältstudie har genomförts för att få en klar bild på hur värmekameror kan användas praktiskt för sprinkelsystemet samt se hur Vattenfall AB i Ringhals kan
investera i termografering för att ytterligare höja säkerheten för driftklarhetsverifiering.
2.4
Kvalitativ undersökning
För att få en uppfattning om komponenternas funktion genomfördes
informationspresentationer av underhållsingenjörer från bland annat el- och mekaniska-avdelningen. Med den information som presenterades gavs en tydlig
förståelse om komponenternas funktion och vad man behöver ha i åtanke vid utförande.
Främst vid användning av termografering då det finns många faktorer som påverkar resultatet. Samt användes företagets interna databas för att finna relevant information och data från tidigare projekt som ansågs ha betydelse för arbetet.
5
6
3 Teori
I detta avsnitt behandlas teorin bakom examensarbetet. Bland annat fås en överblick över vad termografering är, hur kärnkraftverk och sprinkelsystemet fungerar samt det valda systemets huvudkomponenter.
3.1
Termografering
Termografering är en metod som används för att se temperaturändringar inom ett visst område eller objekt. Detta görs genom att använda en så kallad värmekamera som i sin tur mäter temperaturen i en viss punkt med hjälp av infraröd detektor.
Mätobjektet/området utstrålar infraröd energi som baseras på temperaturen vid
objektet/området. Högre temperatur utger en större mängd infraröd energi till skillnad från sin starttemperatur. Värmekameran omvandlar värdena som uppfattats av den infraröd detektorn till färger och ger en värmebild på objektet/områdets yta. Detta ger möjligheten att även upptäcka den minsta temperaturskillnaden på ytan som i sin tur kan vara ett tecken på en avvikelse från det normala. Med termografering är det viktigt att förstå att man endast kan mäta yttemperaturen på ett visst objekt/område och inte igenom mätningsobjektet.
Termografering är viktigt för ett förutsägbart program vilket reducerar analytiska fel, bidrar till minskat driftsstopp på maskiner samt värmeförlust. Temperaturen och värmebeteendet i maskiner, kraft generatorer, annan utrustning, kontrollsystem samt material är kritiska för val av underhåll. Genom att studera värmemönster och analysera temperaturskillnaden bidrar detta till ett lyckat anläggningsunderhåll. En infraröd termograf kan karakterisera värmebeteendet av en normalt funktionell maskin och
7
identifiera beteenden som kan kopplas till potentiella fel. Kvalitative termografering är att hitta avvikelser genom beteende analys.
Termografi är klassad som bildteknik. Som upptäcker, lagrar, skickar, analyserar och sedan visar resultatet i form av en bild. Mätningar av objekt eller yta sker genom orientering, perspektiv, djup fokus, synfält och upplösning. Mätning av intensitet eller kontrast är relaterad till en pixel eller en uppsättning av pixlar samt ytterligare
beräkningshårdvara och programvara. För att termografering ska vara en föredragen temperaturmätare beror det på material, ytförhållande, miljö och temperatur. Och att det enkelt ska kunna härledas och repeteras och inte visa felaktiga resultat. För
upptäcka temperaturskillnader på exempelvis elektrisk utrustning krävs det berörfri temperaturmätning med hjälp av värmekamera för att få en bra syn på
temperaturfördelning. Med berörfri temperaturmätning menar man att det endast används en bärbar värmekamera som används på utrustningen med viss distans från mätobjektet. Medan i motorer eller andra utrustningar kan man bäst mäta
temperaturen genom kontaktbara värmekameror. Det vill säga värmekamerorna är fäst vid bestämda områden, främst används denna typ vid mätning av roterande
komponenter då det är svåråtkomligt med vanliga bärbara värmekameror.
Temperaturmätning med värmekameran är en tvåstegsmetod för att ge ett utförligt resultat. Första steget är subtraktion av bakgrundsreflekterad energi som är lämplig för ytreflektions förmågan och omgivningen. Denna energi bedöms av termografens
erfarenhet kring bakgrundsreflektion. Det andra steget är att korrigera signalen för material och ytegenskaper. Det kan förekomma problem då endast en liten
yttemperaturs ökning sker för termografer att kunna identifiera. [4]
3.1.1 Fördelar med användning av värmekameror:
• Termiska bilden visar var mätningen ska göras. (max, min, genomsnitt)
• Värmekameran är inte påträngande och påverkar inte ytan och dess temperatur.
• Den är fjärrstyrd, vilket gör det möjligt för tekniker att hålla avstånd.
• Den är snabb och enbart begränsad av kameraprocessorn och skärmen.
• Den mäter målytan och inte omgivande luften.
• Den kan upptäcka störningar i strålningsenergiöverföring orsakad av ovanliga mängder av oönskade gaser.
8
• Den kan fjärrdetektera strålningsmål över ett brett synfält och på avstånd under osynliga förhållanden.
3.1.2 Nackdelar med användning av värmekamera
• När endast ytan detekteras och problemet ligger långt under ytan blir det svårt att uppskatta temperatur
• Målet måste vara i direkt siktlinje. Skärmning och paneler måste tas bort.
• Miljöfaktorer som damm, dimma eller rök kan hindra upptäckt eller mätning.
• Utrustningen eller yttemperaturen kan förändras snabbare än instrumentets respons tid.
• Målet kan vara för litet eller på för stort avstånd för detektering eller mätning.
• När det gäller blanka metallytor är vissa material inte effektiva för att konvertera ytan temperatur till strålningsenergi.
3.2
Användningsområden
Termografering används i dagsläget inom det elektriska områden eftersom det är snabbt och enkelt att applicera och kan identifiera problem långt innan det uppstår.
Användning av termografering inom det mekaniska området är mer varierad och kräver mer specifika applikationer då man har fler faktorer att ta hänsyn till som exempelvis roterade utrustning, värmemaskiner, ångsystem, ugnar och processrör.
Det finns andra metoder förutom termografering för att upptäcka exempelvis motorfel i tidigt stadie. Men med temperatursfördelning och värmemönster kan man upptäcka unika problem som annars hade varit svårt att diagnostisera. Termografering kan
användas som underhållsverktyg för att upptäcka fel inom el/instrument och mekaniska områden. [5]
9 De fel som oftast upptäcks i el/instrument:
• Dåliga kontakter
• Lösa/felaktiga kontakter
• Onormal temperatur på transformatorer
• Dåliga brytare
• Felaktiga säkringar
De fel som kan uppstå i mekaniska komponenter:
• Felaktigt uppriktade roterande utrustning
• Höga temperatur i olja
• Söndriga/felaktiga ventiler
• Felaktiga tätningar
• Olja och gas läckage
3.3
Vibrationsmätning
Vibrationsmätning utförs för att mäta förändring i baslinjevibrationsmönster på
maskinkomponenter. Genom att utföra regelbundna vibrationsmätningar som en del av underhållsarbete minskas andelen maskinfel samt kostsamma reparationer. Med ett vibrationsavkännande verktyg kan man kontrollera växellådor, pumpar, fläktar osv. I form av en vibrationsanalys kan de inre och yttre skadorna upptäckas dock kan det bli utmanande att identifiera orsaken till de yttre skadorna då det oftast utförs av erfarna underhållstekniker som kan komponenterna utantill. [6]
En viktig del av vibrationsanalys är att ha underlag på maskinkomponenternas vibrationsnivå och följa deras utveckling i form av trendningar dvs. mätdata från tidigare mätningar för att lättare kunna jämföra och se ifall maskinens nya vibrationsnivå nått en högre vibrationstopp till skillnad från tidigare mätningar.
Vanligaste felen som kan upptäckas med hjälp av vibrationsmätning är exempelvis obalans och uppriktningsfel. Obalans är när vibrationsfrekvensen skiljer sig i både radiell och axiell riktning som indikerar antigen böjd axel eller feluppriktning.
Uppriktningsfel i axelkopplingar bidrar till minskad livslängd på grund av bland annat slitage i lager och sprickbildning. Vibrationsmätare fångar upp uppriktningsfel i form av
10
markanta vibrationstoppar. Defekt som visas i axiell riktning kan indikera vinkelfel och i radiell riktning indikerar parallell fel. [7]
3.4
Hur fungerar kärnkraftverk
Elproduktionen i ett kärnkraftverk fungerar genom att det bildas värme i reaktorn genom en fission kedjereaktion där uran atomer klyvs. Värmen som bildas i denna process värmer upp vattnet som finns i reaktorn vilket resulterar i att vattenånga bildas.
Ångan och värmen som bildats förs vidare till en turbin som mekaniskt omvandlar värmeenergin till rörelseenergi. Därefter vidare till en generator som omvandlar rörelseenergi till ren elektrisk energi. Med hjälp av havsvatten kyls vattenångan från turbinen ned och omvandlas tillbaka till vatten i kondensor som sedan pumpas tillbaka till reaktortanken.
Figur 1 Källa:https://www.vattenfall.fi/sv/elavtal/energikallor/karnkraft/
3.5
Sprinkelsystem
Sprinkelsystemet även kallat Containment Spray är ett sprinkelsystem för
reaktorinneslutning. Systemets huvuduppgift är att ingripa som en ”back up” och mildra konsekvenser som kan uppstå vid större rörbrott i inneslutningen på huvudsystemet eller ångledningarna. Då systemet är automatisk aktiveras den vid högt tryck i
inneslutningen (2.1 bar ö)
Vid större rörbrott i inneslutningen släpps större mängder av ånga och energi ut. Som gör att trycket i rören/ledningarna stiger vilket kan leda till sprickbildning eller att inneslutningen går sönder. Detta kan lindras genom att sprinkelsystemet aktiveras samt sprinklar kall vatten som kondenserar ångan som i sin tur gör att trycket sjunker. Med
11
hjälp av sprinkelsystemet kan man även ”tvätta” bort stora mängder av radioaktiv jod som kan komma ut i inneslutningen vid brott i huvudsystemet.
Bortsett från att ingripa som ”back up” har systemet även som uppgift att fungera som lågtrycksinsprutning i vissa drifttillstånd. Vid avställd reaktor är restvärmesystemet inkopplat med sprinkelsystemet för nödkylning av reaktor vid låga tryck. I bilden nedanför fås en överblick över systemets uppbyggnad.
Figur 2 Källa:Vattenfall Ringhals sprinkelsystem
3.6
Sprinkelsystem vid drift
När sprinkelsystemet aktiveras startas även fyra pumpar som har till uppgift att suga vattnet från borvattentanken (RWST). Sedan förs vattnet vidare igenom värmeväxlarna (inte i drift då vattnet från borvattentanken redan är kallt och kylningsbehovet inte finns) som i sin tur leder vattnet vidare till inneslutningen där vattnet pumpas in och når stigarledningar som sträcker sig från botten av inneslutningen ända upp till toppen där vattnet sedan fördelas ut till sprinklingsdysor.
I vissa fall vid haveri behöver man att sprinkelsystemet körs under en längre period. För att man ska kunna göra det krävs det att man får in vatten i systemet då vattnet som tas från borvattentanken tar slut efter en viss tid. Därför utför man något som kallas för
”recirkulationsdrift” vilket innebär att operatörerna drift lägger systemet att ta vatten från inneslutningspumpen. Vattnet som då tas är det vattnen man tidigare insprutat samt kondenserad ånga som samlats i inneslutningspumpen. [8]
12 3.7
Elmotor
En elmotors uppbyggnad består huvudsakligen av en strator samt en roterande rotor som med hjälp av rotationsrörelser omvandlar elektrisk energi till kinetisk energi. Det finns flera olika typer av elmotorer. Exempel på två typer av elmotorer är: synkron-, asynkronmotorer därav kan även utseendet på stratorn och rotorn skilja sig. Elmotorn fungerar genom att stratorn med hjälp av den tillförda elektriciteten bildar ett
magnetfält som i sin tur inverkar på rotorns lindningar vilket medför att ett magnetfält även bildas kring rotorn. De två kraftfälten som bildats samverkar med varandra och resulterar i att en roterande rörelse uppstår i rotorn samt den motoraxel rotorn är kopplad till.
Både rotorn samt stratorn har isolerande ledningar kring sig som är placerade olika beroende på vilken typ av elmotor man använder. Det som skiljer placeringen är att ledningarna antingen ligger löpnade spår i kärnan alternativt att ledningarna består av spolar lindade kring poler. Ledningarna som används är antingen av aluminium eller koppar. Dessa ledningar har tre olika former, trådar, band eller stavar beroende på vilken typ av elmotor man används. [9]
Figur 3Källa: https://grabcad.com/library/centrifugal-pump-36
13 3.8
Pump
En pump används vid behov av vätsketransport och det finns flera typer av pumpar exempelvis centrifugal pump, förträngningspump och vätskeringspump. I det valda systemet används centrifugalpumpen som är utformad till att förflytta vätska med hjälp av rotationsenergi från ett eller flera skovelförsedda pumphjul vilket roterar i ett
pumphus. Dessa pumphjul är en viktig komponent i centrifugal pumpen. Vätskan förs in till de roterande pumphjulen längs axeln och kastas ut av centrifugalkraft längs hjulets omkrets och dess spetsar. Med pumphjulet ökas vätskans hastighet och tryck som riktas ut mot pumputloppet. Pumphuset är utformad för att tömma vätskan som förs in genom pumpens inlopp och leda vätskan in i pumphjulet och sedan styra vätskan ut genom utloppet.
Vätskan kommer i in pumphjulet vid dess axel och sedan kommer ut längs omkretsen mellan skovlarna. Pumphjulet på motsatt sida vid drivaxeln är ansluten till en motor och rotationen på hjulet brukar ligga runt 500–5000 rpm. Pumphjulets rotationsrörelse accelererar vätskan ut genom skovlarna in i pumphuset. [10]
Figur 4
Källa: https://grabcad.com/library/centrifugal-pump-36
14 3.8.1 Sprej pump i Ringhals
Pumpen består av hölje och en avtagbar enhet som består av sugmunsstycke, diffusor, pumphjul, tömningshölje med axeltätning, lager och axel.
I systemet är det fyra identiska enhjuliga dubbelsugande centrifugalpumpar av instickstyp. Pumparna är tillverkade av autentiskt rostfritt stål eller
korrosionsbeständigt material. Axeln är lagrade med båda ändarna av oljesmorda rullkroppslager. Pumparna är försedda med en roterande plantätning för att förhindra läckage utefter axeln, vilket övervakas med hjälp av droppglas. [11]
3.9
Axelkopplingar
Axelkopplingar i pumpar har som funktionen att anknyta pumpaxeln med
drivmotoraxeln och sedan överföra vridmomentet från den drivande maskinens axel till pumpaxeln. Axelkopplingar har flera egenskaper och funktioner men det allmänna syftet är att överföra vridmomentet mellan två i linje liggande roterande axlar.
Vridmomentet ska vara lika stora i axlarna med det kan förekomma varvtalsskillnad vid slirning eller hel utkoppling. Kopplingens enklaste uppgift är att sammanfogad med axeln men det är även att förbinda två axlar som i sig inte ligger i en perfekt linje med varandra. Sådana fel kan återgärdas med kopplingen.
Kopplingens olika funktioner och egenskaper kan delas upp i tre huvudgrupper; Icke urkopplingsbara-, urkopplingsbara- och vridmomentsbegränsade kopplingar. [12]
Figur 5 Källa: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:511670/FULLTEXT01.pdf
3.9.1 Val av axelkopplingar för pumpar
För vertikala pumpar: Drivmotorn monteras på pumpen med flänsförband. Vilket påverkar axlarnas position som bestäms av styrspår i flänsarna och
15
tillverkningsnoggrannheten styrs av axlarnas uppriktningsförhållande. För dessa pumpar används ofta styva axelkopplingar.
För horisontella pumpar: Det är viktigt att motoraxeln och pumpaxeln riktas till en lämplig tolerans och har en flexibel axelkoppling. Den flexibla kopplingen överför drivmomentet från drivmotorn till pumpens axel med en tolerans för vinkelfel och parallell fel. [12]
3.9.2 Uppriktningsfel
Uppriktningsfel kan ske antigen innan uppstart så det har skett en bristfällig
uppriktning eller när maskinen rör sig under drift. Felet är beroende på varvtal och ju högre varvtal maskinen har desto begränsad är toleransen. Maskinen är menat att röra sig under drift på grund av termisk expansion. Det finns tre slags uppriktningsfel som kan förekomma; vid radiell-, axiell, och vinkelförskjutning av axlarna.
Axelkopplingars konstruktion är till för att kunna belastas med ett vridande moment. I särskilda fall kan en koppling belastas både med en böj moment samt axiella och
radiella krafter. Denna typ av belastning bör undvikas för vissa typer av kopplingar med när det kommer till fasta axelkopplingar brukar det inte leda till problem. Fasta
kopplingar ansluter två axlar med varandra som gör att systemet blir fastare än med enbart en axel dock är det viktigt att vid användning ska uppritningen vara centrerad.
Viktiga regler för kopplingar:
Kopplingar ska placeras med ett lager på varsin sida samt att komponenten inte får utsättas för böjande moment. För att minska slitage på den drivna axeln ska
manöverdon så som släpringar eller kopplingshylsor sitta på axeln. [12]
16
17
4 Genomförande
I detta avsnitt presenteras genomförandet vad gällande fältstudier som gjorts på Ringhals. Vilket bestod av nulägesanalys, intervjuer samt testning av värmekamera som gjorts tillsammans med underhållsingenjörer.
Under de fyra veckor som spenderades på Ringhals utfördes först en förundersökning på nuläget kring vilka mätmetoder Vattenfall AB använder sig utav samt hur testning av system som efterliknar sprinkelsystem 322 utförs. Eftersom detta projekt undersöker ifall termografering är ett bra investeringsalternativ, fanns inga tidigare data/underlag på metoden. Därav utfördes ytterligare en fältstudie där vi tillsammans med
underhållsingenjörer gick runt med värmekamera kring system som efterliknar 322 för att se ifall man kan se värmeutvecklingen och potentiella avvikelser. Samt samla
underlag kring hur värmebilderna kan se ut för att sedan komma fram till förbättringsförslag. (Värmebilderna presenteras i avsnitt 5 Resultat)
4.1 Nuläget
Idag används vibrationsmätning i samband med provkörning av pumparna för att bättre kunna bedöma om pumpen har förutsättning att fungera under kravställdtid.
Detta utförs av driftpersonal i form av ronder men vid behov kan kompletterande
mätningar utföras av Ringhals ”vibrationsgrupp”. Denna grupp har till uppgift att utföra
mätningar utföras av Ringhals ”vibrationsgrupp”. Denna grupp har till uppgift att utföra