Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 8
1.1. Техническая диагностика газотурбинных газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов 8
1.2. Особенности газотурбинного газоперекачивающего агрегата и их камер сгорания как объекта диагностики . о
1.3. Задачи и методы технической диагностики газоперекачивающих агрегатов 1 „
1.4. Основные положения диагностики по стабильности продуктов сгорания и температуре в дымовой шахте ГПА .
Выводы 18
Экспериментальная часть
Глава 2. Выбор и обоснование перечня вредных веществ, подлежащих контролю при работе и диагностике камеры сгорания . 20
2.1. Основные сведения о камерах сгорания газотурбинных двигателей
2.2. Требования к камерам сгорания и их типы 22
2.3. Конструктивные схемы камер сгорания 34
2.4. Камеры сгорания промышленных газотурбинных аппаратах 37
2.5 Полнота сгорания топлива 38
2.6. Продукты сгорания и механизмы их образования.
2.7 Общие вопросы исследования и диагностики камер сгорания 53
2.8 Результаты измерения вредных выбросов от работающих ГПА
Выводы
Глава 3. Анализ, выбор и обоснование оптимальных методов контроля вредных выбросов при проведении диагностики ГПА . 78
3.1. Основные положения при проведении измерений вредных выбросов 78
3.2. Основные методы измерений 84
3.3. Обзор приборов основных фирм изготовителей 95
Выводы 126
Глава IV. Разработка способа диагностики состояния камеры сгорания газотурбинных установоке 117
4.1 Теоретическая часть 117
4.2. Пример реализации способа 135
4.2. Способ контроля режима горения 136
Заключение 139
Использованная литература
- Особенности газотурбинного газоперекачивающего агрегата и их камер сгорания как объекта диагностики
- Основные положения диагностики по стабильности продуктов сгорания и температуре в дымовой шахте ГПА
- Камеры сгорания промышленных газотурбинных аппаратах
- Обзор приборов основных фирм изготовителей
Особенности газотурбинного газоперекачивающего агрегата и их камер сгорания как объекта диагностики
Диагностика по продуктам сгорания является одним из наиболее перспективных и новых направлений технической диагностики ГПА. Это связано прежде всего с тем, что в настоящее время не имеется датчиков, позволяющих непосредственно измерять техническое состояние элементов ГПА (коробление и прогар жаровой трубы камеры сгорания и неравномерности температурного поля на входе в турбину и т.д.). Вряд ли стоит ожидать, что такие датчики появятся в ближайшее время, причем все сразу. В связи с этим, методы оценки технического состояния ГПА по значениям непосредственно измеряемых в процессе эксплуатации параметров( концентрация продуктов сгорания), то есть косвенным путем, необходимо развивать и совершенствовать.
Методы диагностики использующие продукты сгорания довольно успешно применяются в промышленности и на транспорте. Применения этих методов для контроля технического состояния ГПА на компрессорных станциях магистральных газопроводов практически не производится, несмотря на простоту их использования и отсутствие специального дорогостоящего оборудования. Все это подтверждает необходимость дальнейшего продолжения теоретических исследований и практических разработок в области данного вида диагностики.
Прежде всего, для применения и разработки метода необходимо выбрать набор диагностических параметров, достаточно полно отражающих изменение технического состояния и довести решение задачи до получения количественной зависимости между показателями технического состояния и диагностическими сигналами (концентрацией и стабильностью продуктов горения). Для решения подобной задачи необходимо проводить экспериментальные исследования в условиях эксплуатации. Такие исследования должны, естественно, проводиться отдельно для каждого типа агрегатов. Решить эту задачу по всему многообразию типов агрегатов, применяемых на газопроводах, в настоящее время весьма затруднительно.
Метод стабильности концентраций продуктов горения и, рассматриваемый в данной работе, заключается в опытном определении "сдвига" фактических характеристик экологических выбросов ГПА от эталонных (паспортных) характеристик. При этом, знание закономерностей протекания рабочих процессов не обязательно, так как, с одной стороны, эталонные характеристики могут быть получены опытным путем, а, с другой стороны, взаимосвязь между "сдвигом" характеристик и техническим состоянием так же может быть получена экспериментально [78].
Поэтому оценку изменения состояния камеры сгорания и ГТУ можно и целесообразно произвести по "сдвигу" приведенных характеристик ГТУ. При этом возможны следующие варианты: а) "сдвиг" характеристики не выходит за пределы погрешности измерительной аппаратуры. Следовательно, данные характеристики практически не изменяются при изменении состояния нагнетателя или ГТУ. Это позволяет по непосредственно измеряемой величине контролировать значения величин, непосредственно не измеряемых. б) "сдвиг" характеристик значительно превосходит пределы погрешности измеряемой аппаратуры. В этом случае по величине "сдвига" можно судить об изменении состояния нагнетателя и ГТУ и контролировать его по непосредственно измеряемым параметрам. "Сдвиг" характеристик характеризует степень их удаленности от паспортных значений, а, следовательно, и их техническое состояние. Согласно теории горения при фиксированных внешних условиях процесс горения может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики - скорость реакции горения, мощность тепловыделения, температура газа и состав продуктов не изменяются во времени, либо в периодическом, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений.
Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям [29]. Нелинейная теория разрушения нержавеющих сталей, работающих при повышенных температурах, показывает, что одной из причин их разрушения являются термофлуктуации [30].
Из сказанного следует, что в общем случае, чем выше стабильность горения в камере сгорания, тем меньшим разрушениям подвергается камера сгорания, а судить о стабильности горения можно по стабильности концентраций продуктов сгорания и стабильности температуры. Так как в процессе эксплуатации ГТУ стабильные внешние условия и установившийся режим работы ГТУ могут существовать относительно небольшой промежуток времени 20-30 минут [31], то проведение многократных измерений (реально 5 измерений) концентраций продуктов сгорания и температуры должны укладываться в этот временной интервал
Концентрации оксида углерода и оксидов азота для анализа стабильности продуктов сгорания выбраны как наиболее быстро меняющиеся составляющие выхлопных газов и сильно зависящие от температуры в камере сгорания, а также от изменений в ней.
Мерой стабильности горения может служить рассеяние измеренных параметров относительно среднего их значения, например, дисперсия или стандартное отклонение единичного определения (СКО). Стабильность температуры в камере сгорания идентична стабильности температуры в выхлопной шахте, т. к. при установившемся потоке выхлопных газов и стабильности внешних метеорологических параметров, что обуславливается 20 минутным интервалом проведения измерений, приводит к стабильности тепловых потерь при движении газового потока от камеры сгорания до точки пробоотбора на выхлопной шахте.
Стандартное отклонение ( S ) формула 1, для анализа стабильности было выбрано произвольным образом. Оно, в отличие от дисперсии ( ), позволяет умножением ее на коэффициент 1,24 (5 измерений и 95% доверительная вероятность) получить численное значение величины отклонения
Основные положения диагностики по стабильности продуктов сгорания и температуре в дымовой шахте ГПА
Срывной диффузор значительно короче безотрывного и, как считается, менее чувствителен к изменению поля скорости за компрессором. Существенным его недостатком являются повышенные потери давления; кроме того для него характерен низкий перепад статического давления на стенке фронтового устройства жаровой трубы, что обусловлено резким ускорением потока, обтекающего фронтовое устройства. Это препятствует использованию завесы для охлаждения стенок фронтового устройства. В настоящее время широко используются диффузоры обоих типов. Однако постепенно все большее предпочтение отдаётся срывным диффузорам. Это объясняется, в основном, технологическими трудностями, связанными с изготовлением безотрывных диффузоров. На рисунке 3 показана также интересная конструкция диффузора, управляемого с помощью вихря, предложенная в работе. По существу это диффузор с «внезапным расширением» в котором для предотвращения отрыва потока используется эффективная система отсоса воздуха. Испытания кольцевых моделей с симметричным профилем скоростей в начальном сечении показали, что при числах Маха до 0,3 такой диффузор обеспечивает высокий коэффициент восстановления давления и быстрое выравнивание профиля скорости по длине. При отсосе из потока, например, 5 % воздуха коэффициент восстановления давления может достигать 0,95 на длине, не превышающей удвоенной высоты начального сечения. Диффузор такого типа можно использовать, конечно, только в двигателях, в которых существует и допустим постоянный отсос воздуха рисунке 3.
Однако, принимая во внимание все возрастающие потребности в воздухе для охлаждения лопаток, а также разработки перспективных схем двигателей, следует заключить, что это ограничение вряд ли помешает широкому использованию таких диффузоров в последствии. [37]
В первичной зоне горения должны быть созданы условия для стабилизации пламени, а также обеспечены необходимые время пребывания, температура и интенсивность турбулентности, при которых может быть получена достаточно высокая полнота сгорания топлива.
Первичные зоны бывают двух типов — «коробчатые» в которых образуется крупномасштабная циркуляционная зон и, и многощелевые с вихрями существенно меньшего масштаба.
Крупная зона обратных токов может быть создана с помощью малого числа крупных струй. В такой зоне смешение горючей смеси с продуктами сгорания протекает медленнее вследствие чего относительно невелика и максимальная скорость объемного тепловыделения. Рассматриваемый процесс горения устойчив в широком диапазоне изменения расходов топлива, а также при низких значениях давления в камере.
Мелкие зоны обратных токов могут быть созданы посредством большого числа мелких струй. Достигаемая в этом случае высокая интенсивность перемешивания приводит к большим скоростям объемного тепловыделения в смесях стехиометрического состава. Однако при этом, по сравнению с зоной обратных токов большого размера, сужается диапазон устойчивого горения и снижается экономичность при низких давлениях, Рассматриваемая система в сочетании с регулированием распределения расхода воздуха весьма перспективна в отношении снижения выбросов вредных веществ. [38,39]
Если бы процесс горения лимитировался только скорости химических реакций, то объем первичной зоны мощно было существенно уменьшить.
Длина промежуточной зоны определяется в результате компромисса между увеличением длины камеры и снижением полноты сгорания топлива. Характерная величина ее составляет от 0.5 до 0,7 диаметра или высоты проточной части жаровой трубы. Длина этой зоны должна определяться минимальной длиной, необходимой для перемешивания промежуточного воздуха с потоком газа, и минимальным временем пребывания, необходимым для завершения процесса горения.
Избыточный воздух, который не участвует в горении топлива и охлаждении стенок, подается внутрь жаровой грубы в зоне разбавления с тем, чтобы получить среднюю температуру и профиль (эпюру) температуры по поперечному сечению, приемлемые для турбины. Этот воздух вводится через одни или несколько рядов отверстий в стенках жаровой трубы. Размер и форма этих отверстий оптимизируются по глубине проникновения струй и эффективности смешения их с основным потоком газа. Глубина проникновения струй зависит от соотношения между количеством движения струн и количеством движения основного потока. При обычных для жаровых труб значениях перепада давления максимально возможная глубина проникновения составляет около пяти начальных диаметров струн.
32 Поскольку струн должны внедряться в поперечный основной поток, минимальный их размер должен быть соотнесен с высотой проточной части жаровой трубы.
Количество воздуха, которое обычно подается в зону разбавления, варьируется между 20 и 40 % суммарного расхода воздуха через камеру сгорания. Теоретически считается, что путем удлинения зоны разбавления или существенного увеличения перепада давления на стенке жаровой трубы можно достичь любой заданной степени перемешивания. В действительности, однако, при удлинении зоны разбавления качество смешения улучшается существенно только вначале При дальнейшем увеличении длины влияние ее постепенно уменьшается Таким образом длина зоны разбавления определяется восновном диаметром струй, который и свою очередь связан с высотой проточной части (жаровой трубы Вследствие этого отношение L/D для зон разбавления различных камер изменяется в узких пределах — от 1.5 до 1,6.
В современных высокосовершенных газотурбинных двигателях поле температуры газа должно удовлетворять следующему основному требованию: температура должна быть минимальной у корня лопаток турбины (в месте наибольших напряжений) и у вершины лопаток (с целью зашиты материалов, используемых для уплотнения). Создание нужной радиальной эпюры температуры на выходе из камеры сгорания является задачей первостепенной важности, поскольку она влияет как на допустимое значение средней температуры газа перед турбиной, так и на ресурс всей горячей части двигателя. В связи с важностью и сложностью этой задачи доводка температурного поля газа обычно составляет значительную часть объема работ, затрачиваемых на создание камеры сгорания.
Расположение рассмотренных выше трех основных зон, а также других конструктивных элементов камеры сгорания и отверстий для подвода воздуха показано на рисунке 5.
Сжигание высококалорийных газообразных топлив в ГТД не вызывает серьезных трудностей. При использовании низкокалорийных газообразных топлив расход топлива может достигать 1/5 суммарного расхода газа через камеру сгорания; это может привести к существенному рассогласованию характеристик компрессора и турбины, особенно в двигателях, предназначенных для работы на разных топливах. Другая проблема, возникающая при использовании низкокалорийных газообразных топлив, связана с малой скоростью реакции их окисления и необходимостью дополнительного увеличения объема зоны горения (и без того большой вследствие большого объемного расхода газообразного топлива). Газообразные топлива могут вводиться в камеру через круглые отверстия, щели, завихрители, трубки Вентури. В некоторых случаях трудно подобрать оптимальную скорость смешения в зоне горения слишком большой скорости смешения ухудшаются характеристики срыва пламени на бедных смесях; при низкой скорости смешения ухудшаются характеристики срыва пламени на бедных смесях; при низкой скорости смешения может возникнуть «жесткое» горение. [40,41]
Представление о большом разнообразии конструктивных схем камер сгорания, применявшихся в газотурбинных двигателях, дает рисунок 3. На нем показано несколько схем, рассматривавшихся еще при первых попытках создания газотурбинного двигателя. Важность обеспечения хорошего перемешивания была установлена на ранней стадии разработки камер сгорания. Об этом свидетельствует тот факт, что в трех из четырех приведенных схем в зоне разбавления использовались направляющие устройства. Отношения L./D, были значительно больше, чем это приемлемо в настоящее время. На рисунках 4, 5 и 6 показаны камеры сгорания более совершенного типа.
Камеры сгорания промышленных газотурбинных аппаратах
Таким образом, прямая теплоотвода с уменьшением а вначале поворачивается по часовой стрелке, а затем, если следовать указанному предположению, вблизи «богатого» срыва — против часовой стрелки (рисунок 23). Это явление как бы соответствует резкому увеличению теплоемкости смеси (или уменьшению значения безразмерной теплоты сгорания смеси v а счет расходования значительной части внесенного тепла на разложение метана и, в частности, на его конверсию.
Известно, что увеличение давления с 1 до 125 атпм расширяет диапазон воспламенения метана, снижая предельный коэффициент избытка воздуха с 0,6 до 0,2. Это объясняется тем, что при увеличении давления подавляются эндотермические реакции, идущие с увеличением числа молей, и растет температура продуктов сгорания. На рисунок 23 влияние давления характеризуется кривыми 6-8. [67]
Все изложенное для горения при а 1 относилось к однородным гомогенным смесям. Характеристическая диаграмма для реальных камер сгорания, в которых наблюдается существенная неравномерность концентраций по сечению (в том числе и зоны с а 1), имеет вид, показанный на рисуноке 23. Чем больше неполнота смешения, характеризуемая параметром %, тем левее начинает загибаться вниз верхняя часть кривой тепловыделения. Независимо от неравномерности все кривые тепловыделения вблизи срыва должны слиться в одну линию, соответствующую однородной гомогенной смеси. Это произойдет тогда, когда не будет зон с а 1, т. е. при условии % 1 — а. По-видимому, при сильном переобогащении могут играть определенную роль и другие явления, в частности образование свободного углерода — сажи, которая адсорбирует активные центры и содействует прекращению горения. [68]
Изложенный материал показывает, что привлечение методов теплового режима горения и химической термодинамики при анализе устойчивости горения позволяет на только качественно, но в ряде случаев и «количественно оценить влияние режимных и конструктивных факторов на устойчивость процесса.
Экспериментальные исследования можно разделить на три основных этапа или группы: лабораторные исследования, стендовые исследования на моделях, промышленные испытания. Каждому этапу соответствуют свои задачи. Так, задачей первого этапа является исследование отдельных процессов в идеализированных условиях. Второй этап исследований ставит своей целью изучить взаимосвязь этих процессов, а также исследовать работу модели агрегата и его элементов в условиях, близких к реальным, но все же отличающихся от них. На третьем этапе изучается работа агрегата в промышленных условиях, проверяется правильность теоретических предпосылок и технических решений, апробированных в исследованиях, которые были проведены на первых двух этапах. Отметим, что масштаб установки, условия проведения и объем исследований на модели агрегата определяются не только наличием и техническими возможностями оборудования, но и возможностями теоретического аппарата, обусловливающего надежность переноса результатов с модели на натуру. [69]
Из-за отсутствия специальных методических руководств исследователи камер сгорания пользуются методическими материалами из смежных областей авиационной и главным образом котельно- топочной практики, дополняя и приспосабливая их с учетом специфичности условий работы камер сгорания стационарных ГТУ (высокое давление, большие избытки воздуха, наличие воздушного охлаждения огневых стенок и др.). Вследствие неодинаковой методики измерений, применяемой различными исследователями, объем и качество проводимых измерений не всегда позволяют воспользоваться их результатами для обобщения экспериментального материала. Это указывает на необходимость разработки общих методических принципов исследования камер сгорания и промышленного изготовления специальных (нестандартных) измерительных приборов с использованием имеющегося опыта. Ниже рассмотрим некоторые методы измерения основных параметров рабочего процесса и обработки экспериментальных данных, а также упрощенная методика теплотехнических расчетов. [70]
Основным измерением при исследовании горения является определение концентраций компонентов продуктов сгорания. В связи с резким увеличением в последние годы объема работ по наладке и исследованию топочных устройств, работающих на природном газе, появилась острая потребность в приборах, которые позволили бы точно й быстро определять содержание горючих компонентов в продуктах горения. Высокая точность анализа особенно необходима при испытаниях ГТУ, где коэффициент избытка воздуха во много раз больше, чем в котельных установках.
Метод хроматографии изначально занял прочное положение в практике теплотехнических измерений, и теперь без хроматографа не проводят ни одного серьезного испытания топочного устройства.
Газовый анализ пробы газа, отобранной в резиновую (камеру или стеклянный аспиратор, как правило, проводится в два приема (параллельно или последовательно). Содержание СО 2 и 02 определяется химическими газоанализаторами ГПХ-3 или ВТИ-2, а содержание продуктов неполного горения Н2, СО и СЩ — при помощи переносных хроматографических газоанализаторов ГСТЛ, «Союз», ХТ-8 и др. Методика хроматографического газового анализа неудобна из за громозкости приборов и их ненадёжности. [71]
В настоящее время для измерения концентраций компонентов отработавших газов ГПА широко используются газоанализаторы с электрохимическими сенсорами, действующими по принципу процесса электролиза с регулируемым потенциалом при управляемой диффузии. Переносные компьютерные электрохимические газоанализаторы .Testo, ЕСОМ, IMR, Дитангаз позволяют быстро, в автоматическом режиме измерять в отработавших газах концентрацию: оксида азота (NO), диоксида азота (N02), оксида углерода (СО), кислорода 02, диоксида серы SO2, в ряде случаев H2S с высокой степенью точности.
Обзор приборов основных фирм изготовителей
В связи с тем, что агрегаты газотурбинных установок работают в течение многих сотен и тысяч часов без остановки, большое значение имеет диагностика состояния отдельных узлов этих агрегатов, то есть оценка текущего состояния и предсказание хода изменения их основных характеристик на перспективу. [100]
Одним из основных узлов газотурбинных установок является камера сгорания, от надежности работы которой зависит надежность работы всего агрегата.
Согласно теории горения при фиксированных внешних условиях процесс горения может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики - скорость реакции горения, мощность тепловыделения, температура газа и состав продуктов не изменяются во времени, либо в периодическом, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. [101,102]
Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям [103]. Нелинейная теория разрушения нержавеющих сталей, работающих при повышенных температурах, показывает, что одной из причин их разрушения являются термо флуктуации [104].
Из сказанного следует, что в общем случае, чем выше стабильность горения в камере сгорания, тем меньшим разрушениям подвергается камера сгорания.
Известен способ контроля режима горения в ГТУ, заключающийся в измерении сигналов ЭДС индукции, возникающей при взаимодействии электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока с чувствительным элементом магнитного зонда, размещенного на поверхности корпуса ГТУ в зоне, прилегающей к камере сгорания [105].
Недостатком известного способа является необходимость врезки датчика (магнитного зонда) в конструкцию ГТУ, что снижает надежность всей конструкции, а также данный способ требует использования специального устройства измерения ЭДС.
Известен способ вибрационного контроля технического состояния камеры сгорания ГТУ. Состав вибрации, обусловленной горением, сложен, амплитуды всех ее компонент нестабильны. Основным отличием вибрации, возбужденной в камере сгорания, является отсутствие строгой кратности к частоте первой роторной гармоники [106]. В связи с чем, диагностика состояния камеры сгорания с помощью методов вибрационного контроля ненадежна
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является способ диагностики и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей по патенту РФ № 2310180 [107], выбранный нами за прототип. В известном способе за срезом сопла вне двигателя и вне его газодинамической струи устанавливают электростатическую антенну для бесконтактной регистрации электростатического поля, генерируемого заряженными частицами (электронами, ионами, микрочастицами), присутствующими в двигательной струе. Диагностирование и прогнозирование неисправностей двигателя осуществляют проведением статистического анализа зарегистрированных пульсаций электростатического излучения ионов, электронов, заряженных частиц, определяют величину дисперсии зарегистрированного электростатического сигнала с антенны по выборке из N точек на заданном интервале времени, производную дисперсии зарегистрированного сигнала и сравнивают вычисленную дисперсию с заданной эталонной величиной дисперсии, вычисленную производную дисперсии с заданной величиной и судят о состоянии газотурбинных двигателей по отклонению этих результатов от эталонных величин.
Недостатками прототипа являются: необходимость установки специальной электростатической антенны для регистрации параметров реактивной газодинамической струи, постоянный контроль за состоянием антенны (загрязняемость, окисляемость и влияние метеорологических условий). применение дорогостоящего устройства для реализации точных измерений малых электростатических величин.
Задачей данной работы является создание простого, точного и не требующего установки дополнительного оборудования способа диагностики камеры сгорания ГТУ на установившемся режиме.
Для решения поставленной задачи предлагается при проведении диагностики камеры сгорания ГТУ на установившемся режиме, заключающуюся в том, что измеряют параметры газов в выхлопной шахте, проводят обработку результатов измерений с помощью методов математической статистики и судят о состоянии камеры сгорания по отклонению этих результатов от эталонных величин, в качестве параметров газов в выхлопной шахте выбирать температуру газов и концентрацию в них продуктов сгорания.
Дополнительным отличием предлагаемого способа является то, что при обработке результатов измерений предлагается определять стандартные отклонения температуры газов и концентраций продуктов сгорания, а в качестве эталонной величины для сравнения выбирать эталонное значение стандартных отклонений температуры газов и концентраций продуктов сгорания, которое определяется по результатам измерений этих величин для каждого типа двигателей от начала его эксплуатации до завершения.
Еще одним дополнительным отличием является то, что при определении концентраций продуктов сгорания предлагается определять концентрации оксида углерода и оксидов азота, причем предлагается проводить последовательно 5 измерений в течение 20 минут.
В течение пяти лет авторами выполнялись экологические измерения на установившихся режимах работы ГІГА в соответствие с Инструкцией ОАО «Газпром» по проведению контрольных измерений вредных выбросов газотурбинных установок на компрессорных станциях [108]. Для этих измерений используются газоанализаторы Testo 350 или Testo 350XL, позволяющие проводить измерения концентрации кислорода, оксидов азота, оксида углерода и температуры в точке пробоотбора. ГПА. Было собрано большое количество результатов измерений вредных выбросов для разных видов ГТУ. В результате анализа этих результатов измерений авторы выявили, что оценку стабильности горения можно производить по отклонению концентраций продуктов сгорания от средних концентраций этих продуктов за определенный промежуток времени. [109] Удобно это отклонение оценивать, пользуясь методами математической статистики (Таблица. 13.)
