Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности состояния и перспективы развития параметрического диагности рования ГПА 9
1.1. Место параметрической диагностики в системе диагностирования газоперекачивающих агрегатов 9
1.2. Краткий обзор методов параметрической диагностики газотурбинных газоперекачивающих агрегатов 12
1.3. Рассмотрение особенностей параметрической диагностики авиаприводных ГПА в условиях эксплуатации 41
ГЛАВА 2. Разработка экспресс-методов оценки эффективности работы и технического состояния авиаприводных газоперекачи вающих агрегатов 51
2.1. Оценка эффективности работы ГТУ на основе статистического анализа взаимосвязей между изменениями параметров работы ГТУ и ее техническим состоянием 51
2.2. Оценка изменений эффективности работы основных узлов ГТУ с использованием результатов индивидуальных заводских стендовых испытаний 75
2.3. Оперативная оценка располагаемой мощности ГТУ и коэффициента технического состояния по мощности на основе полученных закономерностей сдвига характеристик ГТУ 89
2.4. Определение степени загрязненности осевого компрессора ГТУ на основе полученной универсальной зависимости частот вращения компрессоров низкого и высокого давления в рабоем диапазоне мощности 101
2.5. Оптимальная последовательность диагностирования центробежного нагнетателя применительно к рассматриваемому типу ГПА в условиях компрессорной станции 107
ГЛАВА 3. Опыт внедрения разработанных в диссертацииметодов 119
3.1. Оценка потерь мощности ГПА связанных с эксплуатационными условиями, и анализ результатов расчетов 119
3.2. Область применения результатов работы 128
Основные результаты и выводы 133
Список использованной литературы
- Краткий обзор методов параметрической диагностики газотурбинных газоперекачивающих агрегатов
- Рассмотрение особенностей параметрической диагностики авиаприводных ГПА в условиях эксплуатации
- Оценка изменений эффективности работы основных узлов ГТУ с использованием результатов индивидуальных заводских стендовых испытаний
- Оценка потерь мощности ГПА связанных с эксплуатационными условиями, и анализ результатов расчетов
Введение к работе
В настоящее время по Единой системе газоснабжения транспортируется около 560 млрд.м3 газа в год, из которых около 175 з млрд.м поставляется на экспорт в западноевропейские государства, страны СНГ и Балтии. Подачу газа по магистральным газопроводам, протяженность которых в России составляет примерно 150 тыс. км., обеспечивают около 250 компрессорных станций (КС) с установленными на них более чем 4000 газоперекачивающими агрегатами (ГПА) суммарной мощностью свыше 42 млн. кВт. Установленная мощность газоперекачивающих агрегатов распределяется по типам привода следующим образом:
- газотурбинные газоперекачивающие агрегаты (ГГПА) 86%; -агрегаты с электроприводом (ЭГПА) 12%;
- газомотокомпрессоры около 1%.
Агрегаты с газотурбинным приводом распределяется следующим образом:
- со стационарными установками 55%;
- с авиационными двигателями 44%;
- с судовыми двигателями 1%;
Суммарные затраты природного газа на магистральных газопроводах и на станциях подземного хранения газа (ПХГ) составляют 8-9% от общего объема транспортируемого газа. Затраты газа в качестве топлива для ГПА достигают 75-85% от указанных суммарных затрат. Такое значительное потребление газа в качестве топлива связано с огромной протяженностью его транспортировки. При этом следует отметить, что на потребление топливного газа существенно влияет также техническое состояние ГПА и режим их работы на компрессорных станциях.
К 2005 году газотурбинные газоперекачивающие агрегаты,
составляющие около 16% мощностей общего парка ГГПА (примерно 7 млн. кВт), отработали уже более 20 лет. Агрегаты, находящиеся в эксплуатации от до 20 лет с оставляют примерно 25% мощностей общего парка ГГПА. Значительная часть парка ГГПА физически изношена и не соответствует современным требованиям по экономичности и располагаемой мощности. Ввиду этого весьма актуальными являются задачи, решаемые в настоящее время газотранспортными предприятиями ОАО «Газпром», нацеленные на поиск путей снижения топливно-энергетических затрат и повышения надежности газотранспортной системы за счет:
- эффективной эксплуатации ГГПА,
- реконструкции, технического перевооружения, модернизации основного оборудования КС и подземных хранилищ газа (ПХГ), и, в первую очередь, ГГПА,
- продления сроков службы ГГПА, наработка которых превысила гарантированный ресурс,
- своевременных сроков проведения ремонтов по техническому состоянию оборудования,
- развития и широкого использования различных методов диагностирования агрегатов.
Опыт эксплуатации оборудования компрессорных станций показал, что практика ремонтно-технического обслуживания с заранее заданными фиксированными величинами наработки между плановыми профилактическими и ремонтными работами обладает определенными недостатками и экономически неэффективна [31]. В этом случае профилактические мероприятия и ремонты выполняются независимо от фактического состояния оборудования в конкретных условиях его использования, что приводит к неоправданным затратам, а с другой стороны не исключает появления отказов в межпрофилактический (межремонтный) период. При этой системе в ряде случаев недоиспользуются индивидуальные ресурсы отдельных элементов конструкции, заменяемых через фиксированные промежутки наработки, а не в связи с фактическим израсходованием их ресурса. Кроме того, возникают отказы, неизбежные после ремонтно-профилактических работ.
Ныне существующая практика управления технологическим процессом транспорта газа с использованием при расчете режимов работы оборудования паспортных или усредненных по парку оборудования характеристик не учитывает особенностей каждой конкретной единицы оборудования, что приводит к увеличению затрат газа на собственные нужды. Отмеченные недостатки можно устранить при проведении ремонтно-восстановительного обслуживания и управления технологическим процессом в рамках системы эксплуатации «по состоянию» [31].
Особое значение проблемы поддержания должного уровня технологической надежности и экономичности работы парка ГПА и переход на новую ресурсосберегающую систему эксплуатации «по состоянию» обуславливает необходимость развития технической диагностики в газовой отрасли. Переход к новой системе обслуживания не может быть осуществлен без создания отраслевой системы диагностического обслуживания (ОСДО), позволяющей определять в процессе эксплуатации текущее техническое состояние основного оборудования и вырабатывать решения, направленные на его поддержание на должном уровне.
Создание такой системы предусмотрено в Целевой комплексной программе по разработке и внедрению отраслевой системы диагностического обслуживания газотранспортного оборудования компрессорных станций РАО «Газпром», утвержденной 3.02.97г. [77]. Этого также требуют другие отраслевые и межотраслевые постановления и программы :
• Федеральный закон РФ «Об энергосбережении от 3 апреля 1996 г., №28-ФЗ.
• Концепция научно-технической политики ОАО «Газпром» до 2015 года.
• Отраслевая научно-техническая производственная программа «Диагностическое обслуживание и повышение надежности магистральных газопроводов, объектов добычи и переработки газа».
• Комплексная программа реконструкции объектов транспорта и хранения газа на период до 2015 года.
Внедрение предлагаемой системы диагностического обслуживания диктует необходимость решения комплекса взаимосвязанных задач. Из них одной из основных является методическое обеспечение, то есть разработка и совершенствование методов диагностики.
Требуется разработка и совершенствование систем диагностики ГПА авиационного типа, доля которых в общем объеме установленной мощности в газовой отрасли неуклонно растет и, как было уже показано ранее, составляет на данный момент уже значительную часть (44%).
К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт разработки и внедрения методов диагностики ГТПА. Однако нельзя не отметить, что различные типы ГПА требуют разработки отдельных систем диагностики. Так, у ГПТА с приводом на основе конвертированных авиационных двигателей имеется ряд особенностей (и возможностей с точки зрения диагностики) по сравнению со стационарными ГТПА.
Использование в разрабатываемых диагностических моделях особенностей ГПА авиационного типа, а также возможностей существующих современных электронно-вычислительных средств позволит обеспечить выполнение более высоких требований к качеству и объему диагностирования.
Разрабатываемые методы должны предоставлять возможность мониторинга в реальном времени как основных показателей экономичности работы ГПА в целом, так и основных узлов ГПА.
Для этого необходима разработка экспресс-методов оценки эффективности работы и технического состояния авиаприводных газоперекачивающих агрегатов.
Наиболее информативными методами технической диагностики при оценке эффективности работы ГГПА в целом и его элементов являются методы параметрической диагностики технического состояния проточных частей агрегата.
Подводя итог, можно констатировать, что одним из самых актуальных и перспективных направлений снижения газотранспортными предприятиями ОАО «Газпром» топливно-энергетических затрат и повышения надежности оборудования газотранспортной системы является разработка и внедрение параметрических экспресс-методов оценки эффективности работы и технического состояния авиаприводных ГПА.
Краткий обзор методов параметрической диагностики газотурбинных газоперекачивающих агрегатов
Проблеме параметрической диагностики газотурбинных ГПА уделено большое внимание в тематике научных разработок фирм, занимающихся проектированием и изготовлением ГПА и систем управления к ним, НИИ, а также соответствующих кафедр высших учебных заведений [32, 34, 74, 63, 65, 62, 39, 23, 26, 3, 7, 5, 45, 35, 70, 6, 72]. Такой интерес к этой проблеме обусловлен практической необходимостью ее решения в целях оптимизации режимов работы отдельного ГПА и газотранспортной системы в целом, повышения надежности ГПА путем своевременного выявления неисправностей и обоснованного назначения сроков ремонта. Применение результатов работ по данной теме в комплексе с новейшими компьютеризированными средствами автоматики, измерений и связи, активно внедряемыми сейчас на объектах газотранспортных систем [2], обладает большим экономическим потенциалом.
Рассмотрим методы параметрической диагностики ГПА, принимая во внимание, что деление методов условно, и сделано для удобства обзора. Ряд методов, такие как, например, метод характеристик ГТУ и метод термогазодинамической модели очень близки по составу используемых элементов.
Вначале рассмотрим общие вопросы, а затем перейдем к рассмотрению каждого метода отдельно.
Каждый газотурбинный газоперекачивающий агрегат состоит из центробежного нагнетателя (ЦБН) транспортируемого природного газа и привода - газотурбинного двигателя. Таким образом, ГГПА как объект диагностирования является комплексом этих двух механически взаимосвязанных частей.
Для оценки состояния ГТУ в целом могут быть использованы, например, предложенные ВНИИГАЗом коэффициенты технического состояния (КТС) по мощности и КПД [41].
Коэффициент технического состояния по мощности представляет отношение фактической мощности ГТУ при номинальных параметрах атмосферного воздуха на входе в ОК и при номинальной температуре перед турбиной к номинальной мощности агрегата по ТУ: KN=Nenp/Neo. (1.1) Отношение при этих же условиях фактического КПД ГТУ к его номинальному значению представляет собой КТС по КПД: Кл = Пе/чеО- (1-2) При решении ряда практических вопросов, в частности, для целей нормирования расхода топливного газа более важным является коэффициент, характеризующий увеличение потребления топливного газа при ухудшении технического состояния при условии постоянной загрузки агрегата: KTr=qTI/qTrO. (1.3) Между коэффициентами Ктг , К,, и Кн есть приближенная зависимость: KTr=l/Kn-(0.75+0.25KN). (1.4)
Сложности в применении соотношений (1.1) - (1.3), связаны с использованием только параметров номинального режима, поскольку неизвестна дроссельная характеристика ГТУ. Достижение расчетной температуры газа перед турбиной при работе ГПА не всегда возможно из-за требуемого режима работы компрессорного цеха, к тому же штатные системы автоматического управления (САУ) ГПА некоторых типов, как правило, по конструктивным причинам не оснащены датчиками измерения температуры газов перед турбиной.
Ряд рассматриваемых далее методов, например, диагностика ГТУ по характеристикам ГТУ или по термогазодинамической модели ГПА, предусматривают определение мощности ГТУ по параметрам работы ЦБН.
При определении фактической мощности энергопривода по параметрам нагнетателя производительность ЦБН определяется или по показаниям замерного узла на линейной части газопровода (в целом для компрессорного цеха), или по перепаду на конфузоре, или по термогазодинамическим характеристикам ЦБН. Однако вопрос точности определения мощности по ЦБН указанными способами и связанные с этим ограничения точности результатов диагностики требует особого рассмотрения.
Для определения расхода технологического газа через ЦБН по перепаду на конфузоре требуется, чтобы конфузор данного конкретного ЦБН был тщательно оттарирован, а значение перепада давления на нем измерялось бы с большой точностью (класс точности 0,2). На практике, как правило, известен среднестатистический коэффициент расхода, полученный при тарировке заводом-изготовителем выборочной партии конфузоров. Истинное значение коэффициента расхода данного конкретного ЦБН может значительно отличаться от среднестатистической величины. Перепад давления на конфузоре измеряется не на всех ГПА, а там, где измеряется, точность недостаточно высока. Исключение составляют ГПА с системой регулирования фирмы «Компрессор Контроле Корпорейшнс» («ССС»). В состав этой системы входят датчики фирмы «Ханивелл», имеющие класс точности 0,2. Практически погрешность этого метода составляет 3-5%.
Рассмотрение особенностей параметрической диагностики авиаприводных ГПА в условиях эксплуатации
Основываясь на проведенном обзоре методов диагностики ГПА, сформулируем наиболее общие, основные особенности параметрической диагностики авиаприводных ГПА в условиях эксплуатации.
Эксплуатирующему персоналу необходимо иметь возможность оперативно оценивать эффективность работы ГПА с целью определения его технического состояния для обоснованного назначения сроков ремонта и оптимизации режимов работы КС. Оперативная оценка технического состояния привода ГПА должна объективно отражать уровень эффективности работы двигателя, производиться эксплуатирующим персоналом по показаниям штатной системы измерений ГПА, желательно без привлечения дополнительных измерительных средств.
Весь доступный объем достоверных данных об объекте диагностики назовем полем диагностических исследований (ПДИ). Проанализируем и представим графически в виде диаграммы состав имеющегося поля диагностических исследований по газоперекачивающему агрегату в условиях его эксплуатации (см. рис. 1.2).
При этом отметим, что использование дополнительных данных помимо показаний штатной системы измерений дает возможность увеличить ПДИ и, тем самым, достичь большего соответствия диагностической модели объекту диагностики, увеличив и количество, и качество получаемой диагностической информации (ДИ).
Критерий количества диагностической информации определяет количество определяемых диагностических признаков (ДП), перечень вероятных дефектов, которые можно будет идентифицировать, и объем вероятных состояний объекта, диагностика которых возможна.
Критерий качества диагностической информации определяет точность получаемых результатов диагностики, их адекватность реальному состоянию объекта.
Рассмотрим каждый компонент поля диагностических исследований, представленного на рис. 1.2 на примере авиаприводного газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16.
Существенными для диагностики особенностями конструкции ГПА является его газодинамическая схема. Для ГПА-Ц-16 это: - двухвальн ый г азогенератор на ряде ГТУ авиационного типа (редко используемая схема на стационарных ГПА); - простая газодинамическая схема, в которой отсутствуют применяющиеся в ряде стационарных промышленных газотурбинных установок рекуперация тепла, промежуточное охлаждение воздуха в компрессоре и подогрев газов между ступенями турбины путем сжигания дополнительного количества топлива; - возможность осмотра через специальные люки всех элементов проточной части без вскрытия ГТУ, конструкция ГТУ из двух блоков — газогенератора и силовой турбины.
Существенными для диагностики особенностями регулирования ГПА является регулирование газовоздушного тракта ГТУ при работе, например, регулирование ГТК-25И со стабилизацией частоты вращения компрессора во всем диапазоне мощности путем поворота направляющих лопаток между ТВДиТНД.
Регулирование ГПА-Ц-16 (кроме режимов пуска и останова) осуществляется только путем изменения подачи топливного газа, при этом не используются методы изменения геометрических характеристик проточной части (например, поворот лопаток регулируемых направляющих аппаратов).
Под результатами экспериментальных и теоретических исследований аналогичных устройств и процессов подразумеваются, например, соотношения по определению изменений расхода газов через проточную часть турбины при изменении параметров ее работы, формулы теории подобия лопаточных машин и т.п.
Оценка изменений эффективности работы основных узлов ГТУ с использованием результатов индивидуальных заводских стендовых испытаний
Этот параграф посвящен разработке экспресс-метода оценки изменений эффективности работы основных узлов газотурбинных газоперекачивающих агрегатов авиационного типа с детальной проработкой ее применительно к конкретному типу машины - ГПА-Ц-16.
При эксплуатации ГПА с газотурбинным приводом необходимо иметь возможность оперативно оценивать по текущим параметрам эффективность работы и техническое состояние не только газотурбинного двигателя ГПА в целом, но и основных узлов ГПА в отдельности. Это требуется для выявления неисправностей отдельных узлов, обоснованного назначения сроков промывки проточного тракта осевого компрессора, создания более гибкой системы ремонта. Проблема состоит в том, что термогазодинамическая диагностика отдельных узлов двигателя через непосредственное вычисление их КПД по параметрам на входе и выходе каждого узла, как правило, невозможна в силу отсутствия датчиков требуемых параметров в штатной системе измерений ГПА.
Предлагаемый метод основывается на определении относительных изменений КПД отдельных узлов двигателя по показаниям штатной системы измерений ГПА с учетом отклонений параметров их работы от результатов индивидуальных заводских стендовых испытаний. Изложение метода приведено в общем виде, для любого типа газотурбинного ГПА, и более детально - для ГПА-Ц-16 с привлечением показаний штатной САУ ГПА, показаний датчиков ЦБН и индивидуальных заводских стендовых характеристик двигателей [14].
Данный метод разрабатывается с применением при расчетах всех параметров в приведенном к стандартным внешним условиям виде. Далее по тексту параграфа термин «приведенный параметр» заменяется термином «параметр».
Суть метода заключается в следующем.
На основе формул для КПД данного узла двигателя, теплоперепада, баланса мощности и других известных соотношений выводим зависимость КПД узла от параметров (П), известных из показаний штатной системы измерений ГПА (Пі, П2, П3, П4...). В состав измеряемых параметров штатной системы измерений, как правило, входят частоты вращения валов КНД, КВД и СТ, давление воздуха за ОК, температура цикловых газов до СТ, давление и температура воздуха на входе компрессора и др. В данной зависимости будут присутствовать комплексы (Кі, К2...), состоящие из стабильных параметров (таких, как изобарная теплоемкость и показатель адиабаты рабочего тела при данных условиях, номинальный расход воздуха через ОК и т.п.). Постоянство теплофизических свойств рабочего тела, а также остальные допущения, сделанные нами при выводе формул данного метода, уже детально рассмотрены нами при разработке метода статистического анализа взаимосвязей между изменениями параметров работы ГТУ и ее техническим состоянием в первом параграфе второй главы.
По величине отношения Г узла) вычисленного по текущим параметрам работы двигателя, к величине гузла вычисленного по данным из стендовых испытаний при данной величине приведенной эффективной мощности Ne, можно судить об относительном изменении величины Лузла от исходного заводского состояния узла до его текущего состояния:
При этом комплексы (Ki, К2...) при использовании формулы (2.23) взаимно сокращаются в силу их идентичности для обоих сравниваемых состояний. V зла По величине отношения узла , вычисленного по формуле (2.23) по узла параметрам работы двигателя в разные моменты времени текущей эксплуатации двигателя, можно судить об относительном изменении величины Гузла в период между ними. Это дает возможность отслеживать динамику изменений технического состояния узла в межремонтный период, оценивать эффективность промывки, уменьшения зазоров в проточной части и других мероприятий по восстановлению надлежащих параметров работы узла.
Вычислить истинную величину гузла как правило, нет возможности из-за недостаточности данных, однако предлагаемый метод дает возможность судить об относительном изменении величины гу3ла. Для оценочных расчетов с приемлемой точностью в рамках поставленной задачи истинную величину тіузла можно рассчитывать, принимая за исходное значение гіуЗЛа закладываемое значение при проектировании данного узла.
Оценка потерь мощности ГПА связанных с эксплуатационными условиями, и анализ результатов расчетов
Проведем исследование, целью которого является повышение точности диагностики ЦБН рассматриваемого типа ГПА. Знание технического состояния ЦБН необходимо для создания эффективной системы ремонтов, обеспечения эффективной и устойчивой работы этого узла [15], [16]. Новые возможности на пути повышения точности диагностики ЦБН основываются на результатах определения значения эффективной мощности ГТУ только по параметрам работы ГТУ с применением разработанной в данном исследовании статистической модели ГТУ при условии известного расхода топливного газа. Также указанные возможности основываются на наличии характеристик ЦБН, которые определяются заводом-изготовителем на основе тестовых выборочных испытаний отдельных образцов изделий из партии (100 изделий) и поставляются вместе с формуляром каждого изделия из данной партии. Эти тестовые характеристики ЦБН более точно отражают исходные данные по конкретным ЦБН, чем, например, характеристики, представленные в альбоме [1].
Коэффициент технического состояния (КТС) по политропическому КПД ЦБН [47] определяется как отношение фактического политропического КПД ЦБН к эталонной величине политропического КПД ЦБН, взятом из приведенных характеристик этого ЦБН, при том же приведенном расходе. щолЦБН полЦБНфакт/ полЦБНэталон Проблемы в применении этого соотношения связаны с использованием приведенных характеристик ЦБН при определении эталонной величины политропического КПД ЦБН.
В первой главе данной работы были рассмотрены сложности обеспечения требуемой точности при определении в условиях компрессорных станций производительности и потребляемой мощности ЦБН по параметрам его работы. Это, в свою очередь, приводит к погрешности определения рабочей точки ЦБН на характеристике по величине приведенного расхода или по величине приведенной относительной внутренней мощности.
С другой стороны, поиск рабочей точки ЦБН на характеристике по величине степени сжатия и приведенной относительной частоте вращения ЦБН может сопровождаться существенными погрешностями. Это связано с тем, что графики постоянных приведенных относительных частот вращения ЦБН на приведенных характеристиках ЦБН (см. приложение 3) в зоне, где значения приведенного расхода и частоты вращения ЦБН ниже номинального, имеют очень пологое расположение. Этот факт отмечается в публикации [84].
Неточность в определении рабочей точки ЦБН на характеристике приводит к неточности определения эталонной величины политропического КПД ЦБН, которая фигурирует в формуле КТС по политропическому КПД ЦБН (2.45).
Кроме этого, на точность определения эталонной величины политропического КПД ЦБН с использованием приведенных характеристик ЦБН влияет точность самих характеристик.
В ряде случаев при сравнении реальных и альбомных характеристик ЦБН было зафиксировано их существенное расхождение [11]. Расхождения обнаруживаются и при сравнении альбомных и заводских мелкосерийных характеристик ЦБН. В приложении 2 представлены приведенные газодинамические характеристики центробежного нагнетателя НЦ-16/76-1.44, заводской номер 190, установленного на КС «Курская». Сравнение их с характеристиками этого же типа нагнетателя, представленными в «Альбоме характеристик центробежных нагнетателей природного газа», ВНИИГАЗ [1] (см. приложение 3), показывает, что политропический КПД ЦБН на индивидуальной заводской характеристике во всем диапазоне ниже аналогичной кривой из альбома характеристик в среднем на 2-3%. Например, максимальный политропический КПД ЦБН в альбоме характеристик равен 85.5%, а в индивидуальной заводской характеристике - 83%. На рис. 2.13 представлены для сравнения графики КПД ЦБН из приложений 2 и 3.
