Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор методов энергосбережения и контроля энергоэффективности в магистральном транспорте природного газа
1.1 Анализ энергосберегающих технологий при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов в магистральном транспорте природного газа 19
1.2 Перспективы энергоресурсосбережения при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом на компрессорных станциях магистральных газопроводов 35
1.3 Исследование методов моделирования технологических характеристик оборудования магистральных газопроводов 43
Глава 2 Поддержание энергетической эффективности газоперекачивающих агрегатов за счет совершенствования методов расчета эксплуатационных характеристик
2.1 Исследование энергетической эффективности работы газоперекачивающих агрегатов на основе статистических экспериментальных данных 55
2.2 Анализ мероприятий по поддержанию надежности и эффективности газоперекачивающих агрегатов в процессе эксплуатации на основе построения статистических рядов распределений 65
2.3 Восстановление показателей надежности и эффективности газотурбинных установок на основе
статистического моделирования 76
ГЛАВА 3 Повышение достоверности расчета показателей эффективности газоперекачиающих агрегатов для планирования технологических режимов
3.1 Исследование и прогнозирование условий эксплуатации газоперекачивающих агрегатов, влияющих на эффективность работы газотурбинного привода 87
3.2 Совершенствование методики расчета располагаемой мощности газотурбинных установок для планирования технологических режимов
3.3 Планирование необходимого резерва газоперекачивающих агрегатов для поддержания энергоэффективной работы компрессорных станций 105
ГЛАВА 4 Совершенствование методов расчета и контроля показателей энергетической эффективности газоперекачивающих агрегатов
4.1 Анализ динамики интегральных показателей эффективности газоперекачивающих агрегатов с применением контрольных карт Шухарта 116
4.2 Разработка показателей дифференциации технического состояния газоперекачивающих агрегатов, применяемых для оценки энергоэффективности групп газоперекачивающих агрегатов 126
4.3 Контроль эффективности магистрального транспорта газа на основе комплексных показателей, учитывающих надежность и энергоэффективность 140
Основные выводы и рекомендации 145
Библиографический список использованной
Литературы
- Перспективы энергоресурсосбережения при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом на компрессорных станциях магистральных газопроводов
- Анализ мероприятий по поддержанию надежности и эффективности газоперекачивающих агрегатов в процессе эксплуатации на основе построения статистических рядов распределений
- Совершенствование методики расчета располагаемой мощности газотурбинных установок для планирования технологических режимов
- Разработка показателей дифференциации технического состояния газоперекачивающих агрегатов, применяемых для оценки энергоэффективности групп газоперекачивающих агрегатов
Перспективы энергоресурсосбережения при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом на компрессорных станциях магистральных газопроводов
Проведение технической диагностики имеет важное значение для поддержания эффективности и работоспособности ГПА. Существуют различные методы технической диагностики.
В работе [44] изложены основные задачи и принципы технической диагностики ГПА. В соответствии с ГОСТ 20911-75 техническая диагностика - это отрасль знаний, исследующая техническое состояние объектов диагностирования и проявления технических состояний, разрабатывающая методы их определения, а также принципы построения и организацию системы диагностирования.
В работе [99] приводится методика, основанная на измерении элементного состава уходящих газов ГТУ. По составу оксидов углерода и азота, величине температуры рассчитываются стандартные отклонения показателей от базовых значений. Отклонения фактических параметров от базовых для каждого типа ГПА нормализуются, и по их величине принимается решение о проведении ремонта камер сгорания.
Изменение технического состояния ГПА на всем этапе эксплуатации определяется влиянием конструктивно-производственных факторов, формирующих начальный качественный уровень агрегатов. Влияние этих факторов проявляется на всех стадиях эксплуатации агрегатов.
В процессе эксплуатации изменение технического состояния ГПА происходит в последовательности от исправного до неработоспособного состояния. Влияние эксплуатационных факторов обуславливается условиями эксплуатации, окружающей средой, а также ремонтно-техническим обслуживанием, сказывается на отклонении показателей ГТУ от паспортных значений. Отклонение основных показателей ГТУ от базовых контролируется в динамике в процессе эксплуатации ГПА.
Все неисправности обусловлены причинами возникновения неисправностей, их характер отражается на параметрах работы ГТУ. Диагностические модели, построенные с учетом данной закономерности, позволяют контролировать состояние технического состояния ГПА на всех этапах жизненного цикла. Разработке диагностических моделей посвящено много работ, в т.ч. опубликованных в последнее время [29, 30, 95, 108].
В [29] приводятся модели для параметрического диагностирования основных узлов проточной части ГТУ. Метод представляет собой разновидность теплового расчета показателей ГТУ, начиная с определения физических характеристик природного газа, и включает использование (на основе заводских испытаний) эмпирических зависимостей баланса расходов, а также определение параметров состояния рабочего тела по сечениям установки на основе линейных зависимостей, полученных с использованием малых отклонений, и газодинамических функций.
Применяемые в настоящее время штатные средства контроля параметров работы ГПА [106, 109] обладают диагностическими возможностями, позволяющими контролировать техническое состояние следующих элементов оборудования: - камеры сгорания (прогары, коробления контролируются по изменению поля температур перед ТВД или за турбиной низкого давления (ТНД); трещины не контролируются); - ротора осевого компрессора (ОК) - трещины, разрушения, неурав новешенность не контролируются; - диска турбины высокого давления (ТВД) - торцовое биение не кон тролируется; - нагнетателей (подрезы лопаток, солевые отложения контролируются по снижению политропического КПД; разрушение колес контролируется по снижению перепада давления масло-газ); - подшипников (износ не контролируется; разрушение контролируется по изменению температуры); - лопаточного аппарата компрессора и турбины (забоины, трещины, разрушения не контролируются; загрязнение, износ можно контролировать по снижению приведенной мощности и КПД, а также по снижению КПД турбин и осевого компрессора).
Штатные контрольно-измерительные приборы (КИП) позволяют определить не менее 50% всех возможных дефектов ГПА [8], что подтверждает важность непрерывного контроля параметров работы агрегатов. Статистический анализ [2, 77, 78] накопленных трендов параметров позволяет идентифицировать развитие дефекта.
Теоретические подходы к контролю и анализу показателей эксплуатации [17, 18, 31] одинаковы для ГПА стационарного типа и для современных агрегатов, разработанных на базе ГТУ авиационного типа в силу их конструктивного сходства.
Для контроля температуры рабочего тела за турбиной ГТУ устанавливаются термопары [31]. Контролируя величину температуры выхлопа по всем установленным термопарам, строя эпюры температурного поля, оценивается состояние газовоздушного тракта.
Провалы температуры чаще всего бывают вызваны дефектами в переходных патрубках в виде трещин большой длины или обрыва части уплотни-тельных пластин. Эти дефекты вызывают изменение структуры теплового баланса горения.
Рекомендации заводов - изготовителей и накопленный опыт эксплуатации позволяют утверждать, что техническое состояние камеры сгорания можно считать удовлетворительным, если разность между любой из измеренных температур и средней температурой на выхлопе будет не более 20 С.
Основная опасность перекоса температурного поля заключается в неравномерности воздействия теплового потока на рабочие лопатки. Воздействие потока теплоты на металл вызывает в нем температурные деформации расширения при нагреве и сжатия при охлаждении, вследствие этого происходит вибрация ГПА при работе.
Анализ мероприятий по поддержанию надежности и эффективности газоперекачивающих агрегатов в процессе эксплуатации на основе построения статистических рядов распределений
Применение математических методов при изучении реально существующей или мыслимой системы будет эффективным, если свойства математической модели удовлетворяют определенным требованиям, таким как: - точность математической модели - дает возможность обеспечить приемлемое совпадение реальных и найденных при помощи математического моделирования значений выходных переменных системы, составляющих вектор у =
Пусть yм и ур - найденное при помощи математического моделирования и найденное значение i-ой выходной переменной. Тогда относительная погрешность математического моделирования по отношению к этой переменной при одних и тех же значениях входных переменных будет даваться соотношением: адекватность математической модели - это способность модели отображать выходные переменные системы с погрешностью не более заранее заданного значения 8. робастность математической модели - характеризует ее устойчивость по отношению к погрешностям исходных данных, способность нивелировать эти погрешности и не допускать их чрезмерного влияния на результат вычислительного эксперимента.
Рассмотрим основные виды моделирования систем, наиболее часто применяемых при моделировании процессов в трубопроводном транспорте природного газа.
При аналоговом моделировании предполагается использование аналогий различных уровней. Наивысшим уровнем является полная аналогия, имеющая место только для достаточно простых объектов. С усложнением объекта используется аналогии последующих уровней.
Символическое моделирование представляет собой искусственный процесс создания логического объекта, который замещает реальный и выражает основные свойства его отношений с помощью определенной системы знаков и символов.
Математическое моделирование подразделяется на аналитическое, имитационное и комбинированное моделирование.
Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования системы записываются в виде некоторых функциональных соотношений. При имитационном моделировании [42] воспроизводится процесс функционирования системы во времени, причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени, что позволяет в определенные моменты времени получить сведения о системе по исходным данным.
Результаты, полученные при воспроизведении на имитационной модели процесса функционирования системы, как правило, являются реализациями случайных величин и функций. В этом случае для получения характеристик системы требуется многократное воспроизведение с последующей обработкой информации, что целесообразно производить с помощью машинной обработки данных, при этом метод реализации имитационной модели называется статистическим моделированием (медом «Монте-Карло» [101]).
Комбинированное (аналитико-имитационное) моделирование при анализе и синтезе систем позволяет объединить достоинства аналитического и имитационного методов.
Задачи, решаемые в трубопроводном транспорте, обычно связаны с поиском оптимального решения по критерию минимума затрат или максимума эффективности. В математическом моделировании подобные задачи обобщены и их объединяет общее название «исследование операций» [25, 24, 27, 86, 96].
Составной частью исследования операций является теория игр [41, 70, 73, 76, 87, 122]. Теория игр - это раздел математики, в котором исследуются математические модели принятия решений в условиях конфликта, т.е. в условиях столкновения сторон, каждая из которых стремится воздействовать на развитие конфликта в своих собственных интересах.
В теории игр используются следующие критерии принятия решений в условиях неопределенности [27, 86].
Если руководствоваться этим критерием, характеризующим «позицию крайнего пессимизма», надо всегда ориентироваться на худшие условия, зная наверняка, что «хуже этого не будет». Очевидно, что такой подход перестраховочный, естественный для того, кто очень боится проиграть, не является единственно возможным, но как крайний случай он заслуживает рассмотрения.
Сущность такого подхода в том, чтобы всячески избегать большого риска при принятии решения. В смысле «пессимизма» критерий Сэвиджа сходен с критерием Вальда, но слово «пессимизм» здесь понимается по другому.
Критерий пессимизма-оптимизма Гурвица. Этот критерий рекомен дует при выборе решения не руководствоваться ни крайним пессимизмом, ни крайним оптимизмом. Согласно этому критерию выбирается стратегия из условия:
Совершенствование методики расчета располагаемой мощности газотурбинных установок для планирования технологических режимов
В «играх с природой» существуют напоминающие принцип минимак-са подходы выбора оптимального решения: получение максимального выигрыша или осуществление минимального риска. Если вероятности состояний «природы» рi, ..., рпизвестны или могут быть определены, то возникает стохастическая задача, для решения которой можно воспользоваться критерием Лапласа. Выбирается стратегия игрока против природы, максимизирующая математическое ожидание его выигрыша.
Предположим, что все состояния природы равновероятны, т.е. в данном случае все вероятности будут равны pj=1/12, воспользуемся критерием Лапласа.
Для каждой стратегии определим средний выигрыш и найдем его максимум, получим 9768,9, для стратегии А2. Рассчитаем средние риски для каждой из стратегий и найдем, что при стратегии А2 средний риск минимален. Таким образом, стратегия А2, определяющая максимальный средний выигрыш, дает и минимальный средний риск, равный 153,5.
Планирование необходимого резерва газоперекачивающих агрегатов для поддержания энергоэффективной работы компрессорных станций
Резервирование ГПА на КС позволяет поддерживать надежность перекачки газа на определенном уровне. При планировании схем включения агрегатов в зависимости от объемов перекачки необходимо предусматривать наличие резервирования. Целью данного раздела является рассмотрение различных схем резервирования с точки зрения теории надежности. Различают следующие основные схемы резервирования технических систем [89]: - дублированные системы с постоянно включенным резервом - рисунок 3.10а; системы с резервом замещением - рисунок 3.10б; мажоритарные системы кратности 1/2 - рисунок 3.10в.
Рассматриваемая система является обобщением систем, защищенных от отказа, со структурными схемами, изображенными на рисунке 3.10. Для этих систем в таблице 3.9 приведены значения интенсивностей переходов
По данным эксплуатации интенсивность отказов и время восстановления ГПА типа ГТК-10-4 составляют: X = 0,0000911 час"1, ц = 0,004 час"1.
В соответствии с таблицей 3.9 рассчитаем среднее время безотказной работы каждой из трех систем, получим: - для постоянно включенного резерва Т1=257452,2 ч. (рисунок 3.10а); - для резерва замещением Т1=503927,5 ч. (рисунок 3.10б); - для мажоритарной системы Т 1=89476,4 ч. (рисунок 3.10в).
Из рисунка 3.12 следует значительная разница, как в средней наработке, так и в вероятности безотказной работы. Наибольшую надежность дает резервирование замещением, а наименьшую - резервирование с дробной кратностью.
Выигрыш надежности по вероятности отказа есть отношение вероятности отказа нерезервированной системы к вероятности отказа системы с резервом.
Из рисунка 3.13 следует, что максимальный выигрыш надежности достигается при кратности резервирования равном т=4 с момента начала эксплуатации ГПА. На КС предусматривается кратность резервирования, равная т=1, в этом случае при наработке более 5 тыс.ч. выигрыш надежности становится постоянным и равен Gр=1. В летнее время, когда загрузка МГ снижается, перекачка газа осуществляется меньшим количеством агрегатов, при этом кратность резервирования увеличивается до т=2З. Бывают случаи, когда ГПА на КС работают без резерва, когда два агрегата находятся в ремонте по каким-либо причинам.
Рассмотрим характеристику выигрыша надежности для обычной кратности резервирования т=1. На рисунке 3.14 приведена графическая зависимость параметра Gр от наработки Т для периода Т=05000 ч. С помощью метода наименьших квадратов получено, что зависимость хорошо аппроксимируется степенным уравнением вида:
Таким образом, на основе проведенных исследований можно заключить, что при небольшой наработке выигрыш надежности существенно увеличивается при повышении кратности резервирования. Выигрыш надежности по вероятности отказа тем больше, чем меньше интенсивность отказов нерезервированной системы; для повышения надежности необходимо увеличивать кратность резервирования. Однако при увеличении наработки, начиная с 5 тыс.ч., кратность резервирования не влияет на увеличение надежности, в этом случае необходимо повышать требования к профилактическим работам на ГПА.
По результатам исследований, проведенных в третьей главе, могут быть сформулированы следующие основные выводы:
Выполнен анализ тренда температуры атмосферного воздуха за 2,5 года эксплуатации газоперекачивающих агрегатов на одной из КС. Получена существенная вариация среднемесячной температуры по годам, при этом отклонение коэффициента влияния температуры атмосферного воздуха, рассчитанное по фактическим данным, от значений, рассчитанных по данным температуры согласно СНиП 23-01-99 , достигает 16,2%.
Разработка показателей дифференциации технического состояния газоперекачивающих агрегатов, применяемых для оценки энергоэффективности групп газоперекачивающих агрегатов
Направления повышения энергетической эффективности агрегатов определяются на основе оценки технического состояния ГГПА и анализа эффективности режимов компримирования газа.
Для оценки эффективности расходования природного газа на собственные технологические нужды и потери компрессорного цеха используются локальные и системные показатели энергоэффективности.
Показатели локальной энергоэффективности определяются как отношение расхода топливно-энергетического ресурса на единицу политропной работы сжатия компрессорного цеха. Показатели системной энергоэффективности определяются как отношение расхода топливно-энергетического ресурса на единицу эквивалентной товаротранспортной работы (ТТР).
Группа показателей рекомендуемых в методике [103] позволяет произвести оценку энергоэффективности объекта только с точки зрения расходования топливно-энергетических ресурсов. Влияние надежности на энергетическую эффективность работы оборудования показатели не учитывают. Поэтому представляет интерес разработка методики расчета дополнительных показателей энергоэффективности, учитывающих надежность оборудования компрессорного цеха.
Газотурбинным ГПА свойственны отказы, взамен отказавшего агрегата в работу включается резервный агрегат. В результате, кратковременно происходит сокращение производительности газопровода, а компенсация расхода осуществляется за счет изменения запаса газа в газотранспортной системе. При восстановлении технологического режима перекачки газа расход газа на собственные нужды увеличивается.
Объемы перекачки газа непостоянны и меняются в зависимости от установленных планов транспорта газа. Для перекачки плановых объемов газа в работе обычно находится несколько агрегатов (два или три) при оснащении цеха ГПА с полнонапорными нагнетателями, поэтому при разработке показателей будем рассматривать КЦ как систему, включающую несколько ГГПА, находящихся в работе.
Для оценки эффективности функционирования такой технической системы из ГГПА, работающих по схеме в «параллель», применим метод оценки надежности технических систем длительного действия [84].
Для системы, состоящей из п независимых элементов, каждый из которых может находиться в двух состояниях (работоспособности и отказа). Расчетная формула имеет следующий вид:
Во второй главе диссертации получен график распределения отказов ГПА с приводом типа ГТК-10 в зависимости от наработки после капитального ремонта, полученный по экспериментальным данным.
С учетом экспериментальных данных установлен экспоненциальный закон распределения отказов. Экспоненциальное распределение с параметром интенсивности отказов X имеет плотность вероятности:
При экспоненциальном законе распределения вероятности безотказной работы формула (4.13) для определения средней пропускной способности в момент времени ti примет вид: Ex=Е(t) = XQre"M, (4.14) Определим с учетом времени отказов среднюю пропускную способность системы из 2-х ГГПА, работающих по схеме в «параллель». Интенсивность отказов ГПА равна Л. = 9,11 10 5 ч"1.
Произведя вычисления по формуле (4.14), получим среднюю пропускную способность системы 40,3 млн.м3/сут. (наработка ГПА - 4 тыс.ч), при возможной пропускной способности в случае безотказной работы равной 58 млн м3/сут. Поддержание плановых объемов перекачки осуществляется включением в работу резервного агрегата.
Следовательно, можно заключить, что эффективность функционирования системы при наработке 4 тыс.ч. снижается на 30,5%. При наработке 25 тыс.ч. эффективность функционирования системы снижается на 82%, при известном законе распределения отказов.
В условиях эксплуатации эффективность функционирования КС с газотурбинным приводом поддерживается за счет резервирования ГПА и реализации системы ППР.
На основе исследований, проведенных в четвертой главе, могут быть сформулированы следующие выводы:
1) Предложен и обоснован способ применения контрольных карт Шу-харта для характеристики КТС по мощности ГПА. Способ позволяет выделять развитие неисправности по виду тренда показателя путем исключения случайных составляющих в расчетных значениях обусловленных погрешностями измерительных приборов и пульсациями потока рабочего газа в проточной части ГТУ.
2) Предложены показатели дифференциации ГПА по уровню технического состояния (KL, Kd, КД), определяемые для групп ГПА по предварительно рассчитанным совокупностям КТС по мощности, топливному газу ГТУ и ЦБН, характеризующие степень различия уровня технического состояния ГПА в группах, исключающие влияние отдельных доминирующих признаков на оценку среднего уровня технического состояния групп ГПА.
3) Проведенный анализ показал, что тенденция изменения показателей (KL, Kd, КД) является закономерной с высокой степенью взаимосвязи, поэтому коэффициенты могут применяться как взаимодополняющие при анализе. В ходе анализа выявлены некоторые особенности применения показателей. Коэффициент Джини является интегральным коэффициентом дифференциации и удобен с точки зрения графического представления различия, например, в системах мониторинга. Децильный коэффициент и коэффициент фондов удобны при изучении закономерностей дифференциации КТС ГПА в группах, проводимых по интервальным оценкам.
4) Предложен коэффициент Ех, характеризующий эффективность функционирования системы из ГПА на компрессорной станции, учитывающий эффективность и надежность работы агрегатов. Получено, что эффективность функционирования ГПА типа ГТК-10, оцененная по величине Ех в течение межремонтного периода 25 тыс.ч. снижается на 82% при известном законе распределения отказов оборудования.
