Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Повышение эффективности эксплуатации парков ГПА магистральных газопроводов
1.1. Анализ системы технической эксплуатации ГПА и возможности повышения её эффективности 9
1.2. Пути совершенствования системы диагностирования парка ГПА с целью повышения эффективности их эксплуатации 16
Глава 2. Диагностирование как основа управлением техническим состоянием и использованием ГПА 23
2.1. Назначение диагностики газоперекачивающих агрегатов 23
2.2. Классификация технических состояний ГПА 24
2.3. Выбор параметров диагностирования ГПА 37
2.4. Структура методов и алгоритмов оценки уровней развития типовых неисправностей ГПА в процессе эксплуатации 42
2.5. Разработка алгоритма оценки уровней развития типовых неисправностей проточной части газотурбинного двигателя
Глава 3. Система мониторинга радиальных зазоров в осевых турбоустановках ГПА 46
3.1. Разработка и реализация модельного экспериментально-диагностического стенда 47
3.2. Опытные исследования влияния величины и окружной неравномерности радиального зазора рабочего колеса на характеристики турбинной ступени и структуру потока в её проточной части 58
Глава 4. Обоснование организационных мероприятий по внедрению и обеспечению развития систем диагностирования парков ГПА 83
4.1. Функциональная схема системы управления техническим состоянием и использованием парка однотипных ГПА 83
4.2. Целесообразность создания экспериментально - диагностических стендов для процедур мониторинга развития типовых неисправностей ГПА . 90
4.3. Централизованное оперативное диагностирование парка ГПА на основе данных регистрации параметров системами автоматического управления 102
Основные результаты диссертационной работы 104
Список литературы 106
Приложения 115
- Пути совершенствования системы диагностирования парка ГПА с целью повышения эффективности их эксплуатации
- Классификация технических состояний ГПА
- Опытные исследования влияния величины и окружной неравномерности радиального зазора рабочего колеса на характеристики турбинной ступени и структуру потока в её проточной части
- Целесообразность создания экспериментально - диагностических стендов для процедур мониторинга развития типовых неисправностей ГПА
Введение к работе
Особенности развития газопроводной системы страны, исходя из важной роли природного газа в её топливном балансе, требуют кардинального повышения эффективности при транспортировке газового топлива путем внедрения перекачивающего оборудования с высоким уровнем технико-экономических показателей и оптимизацией технических служб эксплуатации парков данного оборудования [38, 44, 51].
В последнее время в эксплуатацию поступают газоперекачивающие агрегаты (ГПА) нового поколения с повышенными показателями топливной экономичности и эксплуатационной технологичности. Превалирующая же часть парка ГПА имеет значительный ресурс по наработке и, соответственно, пониженную эффективность, не позволяющую обеспечивать требуемый уровень надёжности работы при их эксплуатации с использованием современных технических стратегий.
Эксплуатация парка ГПА представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных технологических процессов. К их числу следует отнести процессы технической эксплуатации, изменяющиеся во времени [31].
Техническая эксплуатация призвана обеспечивать работоспособность и готовность к использованию оборудования по назначению при минимальных затратах [58, 72].
Техническая эксплуатация оборудования включает в себя. работы по техническому обслуживанию, ремонту, хранению и транспортировке.
Эффективность процесса технической эксплуатации ГПА определяется большим числом факторов, действующих на различных этапах их разработки и производства, испытаний и эксплуатации. Это прежде всего глубина проработки конструкций агрегата и полнота обеспечения требований по надёжности работы, эксплуатационной технологичности, полноте и качеству проведения ресурных испытаний на надёжность, совершенству предлагаемой программы ТОиР, уровню производственно-технической базы эксплуатационных и ремонтных предприятий.
7 Разрабатывающие и производящие ГПА предприятия разных ведомств вносят свой конкретный вклад в решение проблемы повышения эффективности эксплуатации. Тем самым, обеспечивается соответствующий уровень конструктивно-эксплуатационных свойств ГПА и разрабатывается программа его
ТОиР на длительный период эксплуатации. Разработка программ ТОиР на стадиях создания новых типов ГПА осуществляется во взаимодействии с программами обеспечения долгосрочной по времени надёжности, эксплуатационной технологичности и контролепригодности. Организация такого взаимодействия должна позволить выполнять одновременно и согласованно весь комплекс работ по обеспечению приспособленности конструкции ГПА к наиболее эффективным стратегиям ТОиР, разработке этих стратегий и подготовке эксплуатационных и ремонтных предприятий к их использованию.
Использование единой отраслевой системы диагностического обслуживания оборудования отрасли «Газпром» будет способствовать развитию основных направлений научно-технического прогресса, в том числе: - по совершенствованию систем диагностирования эксплуатируемых ГПА путём расширения состава контролируемых параметров, повышению точности их измерений, оптимизации режимов и периодичности контроля, повышению эффективности алгоритмов распознования классов состояний объектов, автоматизации процессов диагностирования, разработке эффективных правил принятия решений по результатам диагностирования; по внедрению в эксплуатацию новых ГПА, обладающих' развитыми штатными системами контроля и регистрации, интегрированными в автоматизированные системы комплексного диагностирования.
В предлагаемой работе обосновываются, на основе экспериментально- аналитических разработок методы совершенствования диагностирования, выдвигаются рекомендации по созданию специализированных диагностических стендов, с использованием полученных автором результатов экспериментальных исследований для расширения методических основ диагностирования ГТУ в условиях эксплуатации.
8 В основу выполненных исследований положены следующие материалы: а) данные о результатах эксплуатации наиболее используемых в газовой отрасли типов ГПА, в том числе материалы об их отказах и неисправностях. б) протоколы приемо-сдаточных испытаний ГПА и их основных элементов после изготовления и ремонтов; в) результаты экспериментальных исследований влияния геометрических факторов и параметров, дефектов элементов проточных частей ГТУ на их рабочие характеристики; г) существующие руководящие рекомендации по совершенствованию средств и систем контроля и методов проведения диагностирования ГПА в условиях эксплуатации.
Проведенные нами исследования базируются на теоретических и практических материалах работы современных турбомашин, методах использования (применения) технической диагностики, теории вероятности, математической статистике и др.
Пути совершенствования системы диагностирования парка ГПА с целью повышения эффективности их эксплуатации
Из трудов Ахмедзянова A.M., Бикчентая Р.Н., Зарицкого СП., Лозицкого Л.П., Микаэляна Э.А., Щуровского В.А. [5, 10, 29, 39, 44, 72] и др. известно, что необходимым условием успешной реализации стратегии технической эксплуатации «по состоянию» является наличие эффективной системы диагностирования парка ГПА. Предлагаемый подход к организии процесса эксплуатации парка ГПА должен учитывать следующие положения: I. Поставляемый промышленностью парк однотипных ГПА должен быть укомплектован системой его эксплуатационного сопровождения (СЭС), обеспечивающей эффективное управление техническим состоянием и использованием каждого из его экземпляров. СЭС должна включать в себя: измерительно-информационные средства контроля состояния и использования каждого из экземпляров парка; регламент контроля; алгоритмы и программное обеспечение обработки результатов контроля с целью определения автоматически реализуемых управляющих воздействий (УВ) и выработки рекомендаций о применении неавтоматически реализуемых УВ; математическую модель рабочего1 процесса (ММРП) газоперекачивающего агрегата рассматриваемого типа. Система эксплуатационного сопровождения должна обеспечивать функцию управления состоянием парка однотипных ГПА методом периодического решения задачи распознавания классов их состояний: путём переодического принятия решений об отнесении индивидуального текущего состояния каждого из агрегатов к одному из установленных специальным классификатором классов состояний. Распознавание классов состояния агрегатов целесообразно производить в 2 этапа: 1-ый этап (основной) осуществлять по результатам их диагностирования (статистического, включая прямой контроль выработки ресурса, и функционального), 2-ой этап (уточняющий) - по результатам косвенного контроля выработки их ресурса. Диагностирование, являющееся основой распознавания классов состояний агрегатов, следует выполнять на базе комплексного подхода, состоящего в анализе их текущего положения и кинематики в едином многомерном пространстве разнородных характеристик состояния: критериев, получаемых по данным контроля геометрических, термогазодинамических, вибрационных и других разнородных групп параметров объекта диагностирования. Система эксплуатационного сопровождения должна обеспечивать функцию управления использованием парка однотипных ГПА, в общем случае, путём оперативного решения задачи определения оптимального состава групп одновременно работающих агрегатов газопровода и его отдельных компрессорных станций и оптимального распределения нагрузки между агрегатами внутри этих групп. Решение указанной задачи должно производиться: а) методом минимизации суммарных цен топлива и ресурсов конструкций, расходуемых группами одновременно работающих агрегатов; б) с учетом необходимости поддержания на газопроводе горячего резерва агрегатов для покрытия суточной неравномерности его пропускной способности; в) с учётом необходимости выполнения графика выхода агрегатов в ремонт и на другие формы ТО. Кроме этого, при решении указанной задачи, целесообразно учитывать индивидуальные особенности состояния отдельных экземпляров парка агрегатов, прежде всего индивидуальные особенности их функциональных характеристик.
Целесообразен общий методический подход к построению алгоритмов решения охарактеризованных выше задач СЭС по обеспечению управления состоянием и использованием парка однотипных ГПА: подход, основанный на применении математической модели рабочего процесса газоперекачивающего агрегата рассматриваемого типа - модели, выполняющей кроме рассматриваемой в данный момент функций также и функцию важнейшего автономного элемента СЭС. Входящую в комплект поставки парка однотипных ГПА СЭС следует рассматривать в качестве базового элемента системы управления процессом его эксплуатации (управления состоянием и использованием агрегатов). Последняя должна формироваться на основе СЭС в условиях конкретных групп эксплуатационных подразделений ОАО «Газпром», связанных между собой наличием ГПА рассматриваемого типа и вовлеченностью в единый технологический процесс транспортировки газа. При этом, в ходе отладки алгоритмов управления, должна учитываться специфика этих групп подразделений, обусловленная, прежде всего, особенностями характеристик обслуживаемой сети газопроводов и наличием в составе её нагнетательных средств ГПА других типов. 2. В состав СЭС парка ГПА должна входить достаточно адекватная ММРП ГПА рассматриваемого типа (двигатель + нагнетатель) [66]. Эта модель должна решать прямую задачу расчёта его рабочего процесса: определять значение вектора параметров его функционирования (частоты вращения, давления, температуры, расхода, мощности, КПД; запасов устойчивой работы,...) на основе известного значения вектора параметров состояния его проточной части (ПЧ) (смещения характеристик элементов ПЧ рассматриваемого экземпляра ГПА относительно соответствующих характеристик элементов ПЧ среднестатистического ГПА рассматриваемого типа) и вектора его режимных параметров (параметры атмосферного воздуха, состав транспортируемого газа, параметры нагрузки нагнетателя, ...). Указанная модель необходима не только в качестве основы алгоритмов управления установившимся процессом эксплуатации парка однотипных ГПА, но и для решения разнообразных технических задач организации и совершенствования этого процесса. 3. Требование комплектации поставляемого для ОАО «Газпром» парка, однотипных ГПА охарактеризованной выше системой его эксплуатационного сопровождения является достаточно принципиальным и может быть основой нового стиля отношений между производителями и эксплуатационниками агрегатов.
Классификация технических состояний ГПА
Рациональная номенклатура возможных прогнозов неисправностей должна соответствовать номенклатуре управляющих воздействий. Это дает возможность локализации неисправностей до элемента, восстановление которого в эксплуатации обеспечено конструктивно и технологически.
Глубина диагностирования зависит от принятой системы контроля. Поэтому, при разработке классификатора состояний, необходимо учитывать возможность распознавания видов технического состояния с помощью реализуемых признаков. Таким образом, каждому из выделяемых видов состояний Dt должно соответствовать определенное управляющее воздействие область в п-мерном пространстве признаков.
Следовательно, классификатор состояний для конкретного типа двигателей может быть составлен на основании анализа эксплуатационной технологичности, контролепригодности и безотказности этого типа. Остановимся на общих принципах построения классификатора.
Снижение эффективности работы ГТПА в процессе эксплуатации характеризуется рядом технологических, диагностических и надежностных показателей, к которым можно отнести снижение подачи газа нагнетателем, увеличение расхода топливного газа по ГТУ, снижение мощности агрегата, времени наработки на отказ и т.д. [48]. Основные виды и причины проявленных неисправностей показаны в табл. 2. (Приложение 2).
Из многолетнего опыта эксплуатации агрегата ГТК-10 следует, что основными причинами снижения его технико-экономического состояния являются [68] следующие: загрязнение, эрозия и коррозия проточной части ГТУ вследствие отсутствия предназначенных фильтров; - некачественная подготовка газа (приводит к разрушению конструкции камеры сгорания и проточной части ГТУ); повышенная эрозия проточной части ЦБН из-за некачественной подготовки технологического газа; - негерметичность воздушного тракта пластинчатых регенераторов (из-за конструктивного несовершенства компоновки секций воздуховодов), которая обуславливает снижение мощности и КПД ГТУ и повышает неравномерность температурного поля перед ТВД: например, относительная величина утечек воздуха из секций регенераторов порядка 1-2 % соответствует относительным потерям мощности и КПД ГТУ порядка на 2-4 % соответственно, что следует из [68]: - увеличение радиальных зазоров в проточных частях осевого компрессора (ОК), турбин высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления и в уплотнениях рабочего колеса нагнетателя (ЦБН) вследствие эрозии и коррозии с соответствующим снижением мощности и КПД ГТУ и ЦБН (увеличение среднего радиального зазора ОК на 1 мм снижает мощность турбоагрегата на 9% КПД - на 5% (относительных); такое же изменение зазора для ТВД - соответственно на 5 и 2,5 %; ТНД соответственно на 1 и 0,8%; - увеличение зазоров в уплотнениях рабочего колеса на 1 мм в ЦБН типа 280 и 370 приводит к относительному снижению КПД до 1,4%, а типа 520 - до 1%; - перетечки продуктов сгорания через зазор между «зубом» направляющих лопаток ТВД и обоймой вследствие конструктивной недоработки уплотнений, обуславливают снижение мощности ГТУ до 1 МВт; - увеличение неравномерности температурного поля продуктов сгорания перед ТВД из-за утечек воздуха из регенераторов и некачественной подготовки топливного газа обуславливают деформацию конструктивных элементов горячего тракта ГТУ, ведет к коррозии лопаточного аппарата, несимметричной тепловой деформации выхлопных газоходов агрегата, усталостному разрушению рабочих лопаток ТВД, снижению мощности и КПД ГТУ (проблема снижения неравномерности температурного поля за камерой сгорания и ТВД чрезвычайно актуальна); «вредный» подогрев циклового воздуха на всасе ВЗК вследствие разрушения теплоизоляции регенераторов, газоходов, выхлопных труб или негерметичности запорной арматуры антиобледенительной системы обусловливает снижение мощности ГПА: «вредный» подогрев воздуха на входе ОК может достигать значительных величин — до 10 С (средняя величина оценивается в 2-2,5 С), что эквивалентно недогрузке ГТУ более 1000 кВт; - перетечки сжатого газа в корпусе ЦБН со стороны высокого давления в сторону низкого давления по местам насадки обоймы в корпусе, при разрушении уплотняющих элементов приводят к снижению КПД ЦБН на 5-7%; - увеличение гидравлического сопротивления входного тракта ГТУ из-за его загрязнения и выхлопного вследствие утечек из регенераторов приводит к снижению мощности и КПД ГПА (100 мм увеличения сопротивления входного тракта приводит к снижению эффективной мощности до 3,5% и КПД — на 2%, а для выхлопного тракта- соответственно 2,5 и 1,5 %); - потери мощности и КПД ГТУ при утечках продуктов сгорания по разъёмам корпуса ТВД из-за использования в качестве уплотнения жидкого стекла, содержащего щелочь, разъедающую поверхность разъемов, а также через некачественную изоляцию выхлопных газоходов ГТУ и др. На многих турбинах описанное неблагоприятное сочетание конструктивных и эксплуатационных дефектов приводит к снижению их располагаемой мощности до 50%, что несовместимо с безопасностью их эксплуатации, тем более, что, по существующим правилам, при снижении располагаемой номинальной мощности более 25% агрегат должен быть выведен в ремонт.
Опытные исследования влияния величины и окружной неравномерности радиального зазора рабочего колеса на характеристики турбинной ступени и структуру потока в её проточной части
При эксплуатации ГПА изменение радиальных зазоров ведет как к снижению к.п.д. компрессора и турбины, так и изменению осевых усилий на ротор, а также возможности задевания элементами вращающегося ротора неподвижных частей корпуса агрегата (статора).
В компрессорах это обстоятельство наряду с загрязнением проточной части является фактором, влияющим на снижение эффективности его работы.
Однако, если существуют отработанные конструкции статора компрессора [47,54,55], которые позволяют сохранять малые радиальные зазоры в проточной части без постоянного контроля за их состоянием, то высокий уровень температур и интенсивное охлаждение в газовых турбинах требует активного регулирования размеров радиальных зазоров и диагностирования этого процесса.
Радиальные зазоры в турбинах в процессе их эксплуатации подвергаются значительным изменениям, при этом весьма неравномерным по окружности.
Неравномерность может возникнуть вследствие износа периферийных частей рабочих лопаток, всплывания ротора в подшипниках скольжения, а также деформации ротора и статора и других причин.
Окружная неравномерность радиальных зазоров в обандаженных ступенях сопровождается изменением перекрыш рабочих и направляющих лопаток.
Данное явление вызывает нарушение осесимметричности протечек через надбандажное уплотнение и ведет к возникновению неуравновешенных аэродинамических сил, которые обуславливают возникновение вибрации ротора.
Наряду с этим значительно снижается экономичность работы турбины. Методы прогнозирования показателей газовой турбины в пределах предполагаемых режимов её работы описаны в работах [77,79,82]. По данным [18] при эксцентриситете ротора опытной бандажной турбинной ступени ё = 0,87 относительный внутренний к.п.д. ступени на оптимальном по ( u/C0) ,pt режиме работы снизился на 3%, На рис,7 показано распределение локального клі.д. по окружности ступени с эксцентриситетом ё = 0,87 при ( u/Cc)opt. Оценить изменение эффективности безбандажной ступени газовой турбины вследствие деформации обоймы позволили экспериментальные исследования, проведенные по методике, изложенной в [6].
Это приводит к противоречивому, на первый взгляд, но подтвержденному последующими исследованиями результату. При смещении периферийного кольца (эксцентрично к оси ротора) к.п.д. ступени должен не снижаться, а возрастать (при сохранении величины перекрыши Л "), так как уменьшение радиального зазора на одной стороне окружности приводит к увеличению к.п.д. (из-за уменьшения утечки) в большей части степени, чем снижение к.п.д. вследствие увеличения зазора на противоположной стороне окружности.
Однако в условиях эксплуатации искажение формы обоймы имеет весьма произвольный вид (см. статистические данные по изменению зазоров в проточной части турбины). Поэтому следующая серия опытов проведена при неравномерных по окружности зазорах с сохранением минимального зазора ( 5 = 0,7%) в одной области окружности и переменным зазором (до $ — 0,7 - 6,2%) на противоположной стороне. На рис. 12 приведена зависимость степени реактивности р от величины радиального зазора в ступени и и/Со в трех сечениях по высоте лопатки (периферийном, среднем и корневом).
Увеличение радиального зазора приводит к существенному повышению интенсивности концевых вихрей и величины протечек рабочего тела вдоль внешнего обвода ступени. Снижение давления закрученного потока у периферии при увеличении радиального зазора оказывает влияние на характер радиального равновесия, что вызывает снижение реакции по высоте облопачивания.
Целесообразность создания экспериментально - диагностических стендов для процедур мониторинга развития типовых неисправностей ГПА
Современные экспериментально-диагностические стенды позволяют не только проводить контрольные испытания и совершенствовать восстановление ГТУ, но и развивать перспективные направления по созданию автоматизированных систем диагностирования [36].
Стенды такого назначения отличаются более развитой по сравнению с натурными условиями эксплуатации системной программно — аппаратных средств. Это обусловлено необходимостью более глубокого анализа технического состояния объекта диагностирования, а также проведения специальных исследований ГПА, снятых с эксплуатации или «препарированных» с целью имитации различного вида неисправностей.
Большие возможности представляет использование на КС комплексных систем диагностики, выполненых по единой архитектуре, оценивающих состояние оборудования по единым критериям и с применением тех же алгоритмов.
Такой подход в полной мере позволяет использовать накопленную статистику, первичные вибрационные и параметрические паспорта двигателей для выявления «зарождающихся» дефектов и прогнозирования остаточного ресурса.
В состав разрабатываемых систем для проведения оценки технического состояния ГПА должны входить системы параметрического контроля и диагностики, которая предполагает постоянный мониторинг рабочих характеристик с помощью различных диагностических методов и алгоритмов, а также соотношение и сравнение с данными вибрационного контроля [3].
На современном этапе внедряются автоматизированные системы диагностирования реального времени для решения режимно-технологических задач на основе диагностирования функционально-технического состояния ГПА. Однако проблема выбора параметров и способов диагностирования ГПА пока ещё решена недостаточно. Эффективность работы и техническое состояние ГПА определяется в основном за счет проведения теплогидродинамических испытаний агрегатов в сооответствие с инструкциями при использовании ограниченного количества штатных измерительных средств. При этом точность определения объемной производительности и эффективной мощности производится с погрешностью, достигающей иногда значений 20%, что влечет за собой значительные погрешности определения действительных характеристик газоперекачивающего агрегата. Анализ методической базы выполнения теплотехнических испытаний ГПА для условий компрессорной станции показывает, что задача выбора диагностируемых параметров энергетических установок и их определение с большой точностью относительно паспортных пока не решена.
Поэтому на основе анализа фактических материалов по эксплуатации ГПА предлагается техническое состояние агрегатов оценивать по уровню отклонений рассчитываемых приведенных характеристик относительно заданных паспортных. При этом необходимо использовать вероятные и детерминированные модели, результаты численных исследований влияния дефектов проточной части агрегатов на основные функциональные характеристики.
С использованием опыта эксплуатации ГПА выявление конечного множества возможных состояний энергоустановок, подлежащих распознаванию, определяет выбор типов, методов и средств диагностирования. Достаточность объема измерений параметров ГПА определяется проблемами точности и достоверности получаемых результатов. Испытания вводимых в эксплуатацию ГПА должны охватывать весь обширный диапазон приведенной мощности газотурбинных установок; для ГПА, имеющих значительную наработку, необходимо скорректировать паспортные характеристики.
При этом следует учитывать как можно большее количество возможных дефектов (и их комбинаций) для проточной части, связанных с допустимым количеством измерений, ограниченным требованиями оперативности получаемой информации.
Современные методы измерений, совершенное экспериментальное оборудование с использованием ЭВМ для обработки результатов измерений, сбора информации и управления процессами исследований позволяют распознавать дефекты на ранней стадии их развития и прогнозировать фактическое состояние ГПА [3,43 и др.].
Важнейшей задачей мониторинга ГПА является не только отображение текущих показателей работы, но и задача контроля оценки состояния, диагностики текущего состояния и прогнозирования на перспективу. При этом диагностика как процедура идентификации фактического состояния объекта с некоторым модельным состоянием по ряду признаков может рассматриваться как одна из подсистем комплексной системы развития мониторинга. Таким образом, цель мониторинга, как и диагностики, заключается в выявлении аномалий в работе агрегатов на стадии, когда эти изменения ещё не могут привести к значительному ущербу.
