Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ. 4
1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИБРОКОНТРОЛЯ ГПА 10
1.1. Общая характеристика основного технологического оборудования компрессорных станций 10
1.2. Колебания е ГПА 14
13. Методы анализа виброколебаний 18
1.4. Методы виброконтроля и диагностики. 20
1.5. Средства для проведения виброконтроля и диагностики ГПА 23
1.6. Выводы. Постановка задач исследования 28
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ГПА ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВИБРОСИГНАЛОВ 33
2.1 Методы представления и обработки данных для анализа высокочастотного диапазона спектра виброколебаний ГТД 36
2.2 Выделение вынужденных и собственных колебаний из высокочастотного спектра 39
2.2.1 Выделение периодических составляющих из спектра вибросигнала 41
2.2.2 Обнаружение частот собственных колебаний лопаток 46
23 Спектральный анализ быстроменяющихся процессов в сигнале 50
23.1 Частотно-временное представление сигналов. 51
2.3.2 Вычисления значений амплитуд спектра в одном фрагменте. 56
2.33 Реализация метода спектрального анализа быстроменяющихся процессов в сигнале 64
2.4 Использование термоакустическах колебаний в качестве характеристики работы ГТД. 72
2.4.1 Структура и принцип работы газотурбинной установки 73
2.4.2 Физика горения газовоідушной смеси 74
2АЗ Модельное исследование процессов в газодинамической системе ГТД. 78
2.5 Выделение составляющих термоакустических колебаний из общего спектра виброколебаний ГТД, 89
2.6 Определение параметров термоакустических колебаний 97
2JВыводы 105
3. МЛ ТЕМА ТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕ ЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ
СОСТОЯНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АГРЕГАТА 107
5.1 Исходные данные для разработки 107
3.2 Экспериментальная проверка (определение достоверности) метода выделения термоакустических колебаний 108
3.3 Сопоставительный анализ результатов испытаний 116
3.4 Выводы , 119
4. СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОПЕРЕКА ЧИВАЮЩИХАГРЕГА ТОВ ГПА-Ц-6,3 ПО ТЕХНИЧЕСКИМ И ЭКОЛОГИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ 121
4.1 Состав системы 121
4.2 Программное обеспечение для расчета параметров модели концентрации выбросов вредных веществ 126
43 Программное обеспечение системы 127
43J Структура программы 127
43.2 Описание интерфейса программы 130
4,4. Аппаратная часть системы 135
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
ЛИТЕРАТУРА 141
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 157
ПРИЛОЖЕНИЯ 158
Введение к работе
К настоящему времени в газовой промышленности России возникла насущная необходимость полномасштабного перевооружения парка основного технологического оборудования компрессорных станций - газоперекачивающих агрегатов (ГПА), - поскольку около 25% из них уже дорабатывают назначенный производителем ресурс, а еще около 25% выработали более 75% ресурса [49]. Но поскольку темпы технического перс-вооружения в течение ближайших 10 лет будут невысокими, необходимо обеспечивать надежность нагнетательного оборудования с околоресурсным и свсрхресурсным сроком эксплуатации. Дополнительным фактором актуальности решения данной задачи является существенный рост стоимости транспортных услуг, услуг по доставке ГПА к месту их ремонта, рост цен на запасные части и ремонтные услуги, высокие цены на энергоносители. Анализ опыта эксплуатации агрегатов различного типа показывает [25], что обслуживание и ремонт агрегатов составляют 11-12% календарного времени (3-4% которого занимают внеплановые ремонты) и их проведение связано с большими материальными затратами.
Затраты на обслуживание и ремонт являются одним из важнейших эксплуатационных показателей любой технической системы. Их минимизация в тех случаях, когда система является ремонтопригодной, практически невозможна без эффективного контроля, мониторинга и диагностики ее состояния. При этом средства для их проведения должны быть просты в эксплуатации, сравнительно недорога и должны обеспечивать необходимый перечень функций для повышения эффективности эксплуатации ГПА, в том числе увеличение межремонтных периодов,
В структурном отношении ГПА является сложной технической системой и отличается многоконтурностью информационных и энергетических связей функциональных блоков. Рассматриваемая система может быть характеризована нестабильностью внутренних связей, внешними возмущениями и нестационарной нагрузкой эти связи могут иметь существенно нелинейный характер. Что приводит к отсутствию априорного моделирования детерминированными уравнениями для целей идентификации нестационарных явлений (гибкая связь ротора, изменение температурного поля, окружная неравномерность давления в газовоздушном тракте, воздействие турбулентных потоков на лопаточный аппарат турбины) при изменении этих характеристик в рабочем диапазоне (управляемой частоте вращения ротора) изменение параметров виброколебаний может происходить в два и более раз. Нелинейные связи порождают возникновение многочастотных колебаний. Все это делает систему слабоформализованной при эксплуатации.
В современных средствах мониторинга и диагностики, роторных машин, основным видом анализируемых процессов становится вибрация, активно вытесняя многие процессы, в том числе и тепловые. Причины не только в том, что вибрационные методы эффективнее и имеется тенденция к быстрому снижению затрат на их реализацию» но и в том, что начать мониторинг и диагностику по вибраний можно в любое время, в том числе и через несколько лет эксплуатации оборудования, когда затраты на профилактические работы и ремонт превысят экономически оправданную величину [6]. Кроме того, по сигналу вибрации могут быть обнаружены практически все виды зарождающихся дефектов без привлечения для диагностики других видов физических процессов [74]. Сказанное означает, что именно системы вибромониторинга и диагностики в силу специфики вибрационных сигналов несут основную ответственность за общий контроль механического состояния оборудования и предотвращение аварийных ситуаций, связанных с развитием различных механических повреждении. Однако если созданию систем вибродиагностикп уделено достаточно большое внимание вплоть до построения автоматических и адаптивных систем вибрационной диагностики и систем экспертного анализа вибрационной информации [6, 25, S3, 102], то о системах вибромониторинга чаще всего лишь упоминается как о необходимой составной часта общей системы обеспечения эксплуатационной надежности оборудования.
Вместе с тем именно мониторинг состояния является тем средством, с помощью которого можно обнаруживать изменение состояния, объекта непосредственно в процессе эксплуатации и на этой основе эффективно решать задачи о выделении слабых вибросигаалов (характеризующих развитие дефектов) на фоне большого уровня помех или оценки величины малого приращения вибросигнала, коррелированного с развивающимся дефектом [31).
Пока вибрационный мониторинг используется для поиска повреждений механической части. Однако множество отказов связанных с приводом ГПА — газотурбиной установкой (ГТУ) локализовано в газодинамической системе. В системах мониторинга работоспособности, как подмножестве мониторинга состояния, используются исключительно газо-термодинадшческих характеристики. Измерительными параметрами являются температура, давление, скорость потока. Основанные на них термодинамические вычисления служат идентификатором степени производительности (или износа) газодинамической системы ГПА 1122); Достоверность обнаружения отказа определяется объемом информации получаемой от контролируемых параметров. Недостаточное их число затрудняет диагностику таких явлений как вибрационное горение, образование срывных потоков, помпаж компрессора, прогар камеры сгорания срыв пламени, засорение проточных частей и т.д [54, 66» 103], С этой точки зрения, существующие системы мониторинга работоспособности нуждаются в увеличении числа параметров контролирующих состояние газодинамической1 системы. Потенциальная возможность использования вибросигналов позволяет расширить круг средств распознавания подобных отказов. Поскольку акустические колебаний возбуждаемые в камере сгорания являются известным явлением, и их связь с газо-термодннамическнмн характеристиками достаточно изучена [4, 115,119, 122,123, 127, 128, 135, 146], По иск и разработка подходов к повышению надежности и эффективности использования оборудования на основе создания и внедрения систем оценки состояния его газодинамической системы являются актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение.
Цель работы - оценка эксплуатационных параметров газодинамической системы газоперекачивающих агрегатов на основе анализа информации стохастических составляющих вибросигналов аэро- и термодинамического происхождения.
В процессе выполнения работы рассмотрены основные методы виброконтроля и диагностики ГПА на предприятиях газовой отрасли, и предложен метод определения состояния газодинамической системы, основанный на анализе информации виброакустических сигналов. По результатам анализа виброакустических сигналов выявлено наличие в них термоакустических составляющих несущих информацию о термодиамических процессах в камере сгорания газотурбинных агрегатов, в том числе мощности выбросов вредных веществ. Предложены алгоритмы разделения спектра виброакустического сигнала с целью выделения термоакустических составляющих. Теоретически обоснована возможность использования термоакустических колебаний как характеристики термодинамических процессов. По результатам модельных исследований изучен характер влияния износа газовоздушных трактов ГТУ на параметры газодинамической системы. Найдены параметры, для количественной оценки термоакустических колебаний, в результате чего разработана модель расчета концентраций выбросов вредных веществ на основе данных виброакустических замеров. Кроме того, предложен метод быстроменяющихся процессов в сигнале, что позволяет анализировать быстроменяющиеся, стохастические сигналы свойственных внброколебанням технологического оборудования работающего в переходном или квазистационарном режиме. Создано аппаратно-программное обеспечение для оценки состояния газодинамической системы ГПА и расчета концентрации выбросов вредных веществ в режиме ре альиого времени. Выполнено тестирование с целью экспериментальной проверки работоспособности и проведена практическая апробация подхода на реально действующем объекте для различных режимов эксплуатации и состояний его технологического оборудования.
Научная новизна работы заключается в обосновании и разработке метода оценки состояния газодинамической системы ГПА, существо которого составили следующие научные результаты:
• разработан метод определения спектральных составляющих собственных колебаний лопаток в вибросигнале для обеспечения контроля состояния лопаточного аппарата турбины ГТУ в реальном времени;
• для целей оценки нестационарных процессов в ГТУ предложен и апробирован метод спектрального анализа быстроменяющихся процессов в вибросигнале;
• обоснованы принципы разделения спектра виброакустического сигнала на квазипериодические составляющие колебаний механической системы и стохастические составляющие аэро- и термодинамического происхождения5 при нестационарности колебательных процессов, что позволяет анализировать интенсивность вибрации возбуждаемой камерой сгорания у ГПА без выносных камер;
• разработан метод анализа спектральных компонент термоакустических колебании для оценки состояния газодинамической системы ГТУ, что позволило создать информационную систему оценивания эксплуатационных параметров газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц-6,3 по техническим и экологическим критериям.
Практическая ценность работы состоит в создании принципа построения алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной системы мониторинга экологических и газодинамических параметров ГПА для станций хранения и транспортировки газа.
Реализация работы была осуществлена на объектах ООО Юг-трансгаз" АО "Газпром" г. Саратова по результатам выполнения хоздого верной работы: частично — на компрессорных станциях Петровского и Степного линейных производственных управлений, в полном объеме - на компрессорной станции Сторожовского линейного производственного управления и позволила не только подтвердить достоверность основных полученных результатов, но и оценить потенциальный эффект от их практического использования.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации представлялись на: научных семинарах СГТУ; Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков" (Рыбинск, 2002 г.); V Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права" (Сочи, 2002 г.); международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 2002 г.); международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателе-строения" (Самара, 2003 г.).
В связи с этим основными результатами работы, выносимыми на ее защиту, являются:
1, методы и алгоритмы адаптивной фильтрации для выделения термоакустических колебаний из виброакустических сигналов;
2, результаты теоретического обоснования возможности использования термоакустических колебаний как характеристики термодинамических процессов;
3, метод спектрального анализа быстроменяющихся процессов в вибросигнале;
4, результаты экспериментальных исследований и практической реализации на объектах ООО "Югтрансгаз" АО "Газпром".
