Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. Современное состояние вопроса 7
1.1. Газодинамическая нестационарность процессов в центробежных компрессорах 7
1.2. Аналитические модели автоколебаний 17
1.3. Диагностика и способы защиты от помпажа 25
Выводы и задачи исследования 41
ГЛАВА II. Экспериментальное оборудование 44
2.1. Описание экспериментальной установки 44
2.2. Измеряемые параметры. Первичные измерительные преобразователи. Оценка точности измерений 46
2.3. Автоматизация процесса измерения 59
ГЛАВА III. Методика сбора и обработки первичной информации 66
3.1. Характеристика эксперимента 66
3.2. Сбор данных 68
3.3. Подготовка данных 71
3.4. Признаки помпажа . 79
ГЛАВА IV. Оценка признака возникновения помпажа по дисперсии .. 82
4.1. Характеристика экспериментов 82
4.2. Результаты испытаний 90
4.3. Алгоритм опознания помпажа на основе дисперсии 92
4.4. Особенности практической реализации на современных микропроцессорных контроллерах 100
ГЛАВА V. Оценка признака возникновения помпажа по амплитуде пульсаций 103
5.1. Особенности построения системы управления 103
5.2. Синтез цифровых фильтров 105
5.3. Синтез цифрового фильтра импульсного ПИ-регулятора 107
5.4. Требования к входному цифровому фильтру сигнализатора помпажа 111
5.5. Синтез цифрового фильтра сигнализатора помпажа 113
5.6. Результаты помпажных тестов сменных проточных частей (СПЧ) СПЧ-16/76 на ДКС компрессорной станции "Ямбурггаздобыча" ...117
5.7. Создание и внедрение устройств обнаружения помпажа 129
Выводы и рекомендации 132
Литература 135
Приложение. Акт о внедрении
- Диагностика и способы защиты от помпажа
- Измеряемые параметры. Первичные измерительные преобразователи. Оценка точности измерений
- Особенности практической реализации на современных микропроцессорных контроллерах
- Результаты помпажных тестов сменных проточных частей (СПЧ) СПЧ-16/76 на ДКС компрессорной станции "Ямбурггаздобыча"
Введение к работе
Актуальность работы. Ускорение научно-технического прогресса, интенсивное совершенствование технологии и конструкции промышленных аппаратов требует применения современных подходов к их проектированию. Во многих энергетических системах движение рабочей среды на определенных режимах осложняется существенной газодинамической нестационарностью течения, что приводит к значительным осложнениям функционирования, потере энергии и даже разрушению конструкции. Явление вращающегося срыва и помпажа одно из разновидностей газодинамической нестационарности, сопутствующих рабочему процессу центробежного компрессора (ЦК). Эти явления приводят к вибрации, осевому перемещению ротора и, как следствие, к динамическим напряжениям, во много раз превосходящим напряжения, на которые рассчитывалась конструкция. В связи с тем, что программа расчета проточной части центробежного компрессора не учитывает возникновение нестационарных газодинамических процессов и их предупреждение, необходима разработка и внедрение систем автоматического регулирования предупреждения помпажа. При этом, одной из главных задач является выявление признака начала помпажа и разработка автоматических систем его предупреждения на базе микропроцессорной техники.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением фундаментальных и прикладных исследовании по реализации Федеральной и целевой программы "Энергосбережение России", утвержденной постановлением Правительства Российской федерации от 24 января 1998 года № 80.
Цель работы: 1. Выполнить экспериментальные исследования стохастических характеристик газового потока на режимах квазистационарного течения,
5 вращающегося срыва и помпажа.
Выполнить статистические расчеты параметров стохастического процесса с целью выявления их относительных уровней.
Установить признаки, обеспечивающие надежность определения возникновения помпажа.
На современной базе программируемых контроллеров разработать схемы и программное обеспечение систем автоматического предупреждения помпажа.
Осуществить внедрение полученных результатов на турбокомпрессорных установках, функционирующих на промышленных предприятиях.
Научная новизна связана с расширением и углублением наших представлений о стохастических процессах в областях квазистационарной работы, а также в зонах вращающегося срыва и помпажа в ЦК. В результате подробного экспериментального исследования параметров нестационарного течения установлено, что дисперсия сигнала потока в области квазистационарной работы турбо-компрессорной установки слабо зависит от расхода и числа, оборотов. Переходные процессы в условиях увеличения и сброса нагрузки практически не влияют на дисперсию, незначительно увеличивая последнюю. В области вращающегося срыва дисперсия возрастает в среднем в 2-2,5 раза. При помпаже наблюдается ее активный рост в 20 и более раз. Темп роста дисперсии составляет на первой гармонике порядка 150 единиц в секунду. Пульсации перепада давления в области помпажа представляют собой синусоиду. Этот факт говорит о том, что помпаж это резонансный процесс.
На базе современного контроллера ЭК-2000 разработана, апробирована и реализована система автоматического предупреждения помпажа.
Практическая ценность. Предложенные в работе подходы и методы диагностики помпажа могут быть использованы для прогнозирования возникновения газодинамической нестационарности в конкретных турбокомпрессорных установках.
Апробация предлагаемого подхода на предприятии "Уфаоргоинтез" показы
вает на эффективность и надежность систем, построенных на интеллектуальных
контроллерах.
Работа выполнена в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им.В.Б. Шнеппа" и КГТУ.
В первой главе диссертации приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований причин возникновения газодинамической нестационарности в проточных частях центробежных компрессоров.
Описание экспериментального и диагностического оборудования, системы автоматизированного сбора информации приведены во второй главе диссертации.
Третья глава посвящена методике сбора и обработки стохастических сигналов. Анализ, основанный на статистической обработке, позволил выделить возможные признаки начала вращающегося срыва и помпажа.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований оценки признаков начала помпажа на основе дисперсии.
В заключительной, пятой главе рассматривается оценка признака помпажа по фазе и амплитуде пульсаций и приведены опытные данные, полученные на промышленных установках. В конце главы показаны внедренные в ЦК механическое (мембранное, 3-х камерное) устройство обнаружения начала помпажа, а также новое микропроцессорное.
Диагностика и способы защиты от помпажа
Очевидно, что если все поле характеристики работы компрессора В данной схеме также в качестве параметра, принято давление нагнетания. В отличие от схемы на рис. 1.17 здесь введен блок предварения 3, выходной сиг нал которого равен рбп кхрвх - к2 —— т.е. он повторяет входной сигнал и еще суммирует с ним сигнал, пропорциональный скорости изменения рвх. Вы ходной сигнал с датчика 2 и блока предварения 3 подаются на блок соотноше ния, который выполняет операции рсо =к1рвх - рбп =к т.е. выделяет сиг dt нал, пропорциональный скорости изменения давления нагнетания. В случае, если скорость изменения выше установленной задатчиком 5, блок соотношения 4 открывает байпасный клапан 1. Последнее десятилетие характеризуется активным внедрением микропроцессорной техники в процессы управления. Созданные на ее базе контроллеры, позволили создать более совершенные схемы защиты от вращающего срыва и помпажа [13, 16, 32, 33, 35, 38-40, 50, 64, 65, 69-71, 80, 87, 90, 94, 98]. Нестационарные процессы, протекающие в проточных частях системы компрессор-сеть, относятся к классу стохастических, то есть случайных. В связи с этим возникает необходимость в корректной оценке мгновенных величин определяющих параметров. Как следует из материала, приведенного в разделах 1.1 и 1.2, к ним относятся давление, расход и температура. Основными статистическими характеристиками, имеющими важное значение для описания свойств отдельных реализаций стационарных случайных процессов являются: а) среднее значение и средний квадрат; б) плотности вероятности; в) ковариационные функции; г) функции спектральной плотности. разделить на три области: нормальная работа, вращающийся срыв и помпаж, то для каж 36 дой из них для конкретной системы должны быть свои, отмеченные выше, признаки. Если компрессорная станция оснащена микропроцессорной техникой, то при заданной вероятности наступления событий, "Последняя будет сигнализировать о необходимости принятия тех или иных действий исполнительными механизмами. Наиболее интересной для данного направления, на наш взгляд, является работа Р.А. Измайлова и др. [50]. Суть исследования состоит в том, что система диагностики строится на основе анализа признаков нестационарных процессов, предшествующих помпажу. Одним из этих признаков может служить характер изменения корреляционной функции сигнала давления. С этой целью авторами, посредством малоинерционного датчика давления, расположенного на средней линии межлопаточного канала в конце диффузора, запсывался сигнал во времени. Последний по зависимости [21,25,59] преобразовывался в корреляционную функцию. При вращающемся срыве, возникающем при значении коэффициента расхода, равном 0,14, течение имеет периодический характер, а корреляционная функция Rxx (рис. 1.19) вид косинусоиды.
Обычно, при использовании автоматизированных систем сбора и переработки информации исследователи стремятся записать большой объем исходного параметра. В цитируемой работе авторы показали, что избыток информации не позволяет выявить признаки начала вращающегося срыва. Для обнаружения режима зарождения срыва ими разработана процедура анализа кратковременной автокорреляционной функции. Чтобы обеспечить приемлемую состоятельность оценки, запись стохастического процесса разбивалась на реализации таким образом, чтобы укладывалось до пяти колебаний срыва. Сегменты перекрывают друг друга на 84%, что обеспечивает повышение вероятности обнаружения процесса. Реализация длиной 60 сек разбивалась на 648 сегментов, для каждого из которых вычислялась корреляционная функция. В качестве условия обнаружения срыва используется максимальное значение автокорреляционной функции в диапазоне частот срыва и вид функции, близкий к косинусоиде. Задание уровней значений для максимума повышает надежность обнаружения срыва различной интенсивности. Анализируемый сегмент на режиме развитого вращающегося срыва представлен на рис. 1.20а.
Измеряемые параметры. Первичные измерительные преобразователи. Оценка точности измерений
Вторая - начало неустойчивости, вращающийся срыв. Третья - область активного помпажа.
Как видно из рис. 3.1 полное давление на выходе из диффузора "слабо чувствует" начало вращающего срыва. Из записи сигнала его трудно определить. Перепад давления на диафрагме более чувствителен. Однако оба они могут быть приняты как признак начала помпажа.
Естественно, что доказательством высказанного положения, а также оценкой границ областей могут служить только параметры, полученные на основе статистической обработки записи мгновенных значений исследуемых величин.
Выбор методов сбора и обработки данных наблюдений над случайными процессами в значительной степени зависит от того, какое физическое явление представляет изучаемый процесс, и от целей, которые достигаются обработкой. В рассматриваемом нами случае можно выделить следующие этапы [21, 29, 59]:
Цель настоящего параграфа - объяснение подхода к этапу сбора данных. Наш опыт сбора данных при изучении стохастических процессов говорит о том, что первым шагом должно быть выяснение основных гармоник (частот), присущих данному процессу. Известно, что переход аналогового сигнала в дискретную форму для численного анализа производится обычно через равные интервалы времени. Задача заключается в правильном выборе величины интервала дискретности At. Минимальное число отсчетов, нужное для описания реализации длиною Т при ширине спектра В, есть N= 2ВТ. Поэтому при постоянном
шаге по времени максимальный интервал дискретности At =1/(2В). С одной стороны, при выборках (отсчетах) в точках, отстающих друг от друга менее чем на 1/(2В), будут получаться коррелированные данные, число которых будет избыточно велико, что неизбежно вызовет увеличение как объема, так и стоимости расчетов. С другой стороны, при выборках в точках, отстающих друг от друга более чем на 1/(2В), возможно перепутывание низко- и высокочастотных составляющих исходного процесса. Это явление представляет собой источник ошибок, которые отсутствуют при аналоговой обработке сигнала. При цифровой обработке, когда сигнал предварительно преобразуется из аналоговой формы в дискретную, проблемы, связанные с маскировкой частот, могут играть важную роль.
Работа компрессора на устойчивом режиме характеризуется высокочастотными пульсациями давления и расхода. Их частота достигает 1500 Гц [2, 17, 26, 29, 50, 92, 94]. При подходе к границе помпажа появляется характерный шум, причем амплитуда колебаний увеличивается, а частота понижается до 1- 2,5 Гц в зависимости от объема нагнетательной емкости. В связи со сказанным, были выполнены замеры мгновенных значений давления и перепада давления на диафрагме при временах дискретизации от 0,001 до 0,05 сек, что соответствовало частотам съема информации от 20 до 1000 Гц.
Так как точность оценки среднего и дисперсии зависит от числа измерений [51, 61, 81], то вторым фактором в оценке времени дискретизации измерений является число точек, по которым определяются названные величины. В указанных выше литературных источниках показано, что максимальная точность при отсутствии систематических ошибок достигается при N=1500.
Таким образом, принимая N=1500 можно определить время записи процесса. В области стационарной работы компрессорной установки, где частота пульсаций находится в пределах 1000 Гц, запись указанного количества точек можно произвести за 1 сек. В области неустойчивой работы, где частота пульсации понижается до 2,5 Гц, для записи 2000 точек необходимо 500 сек, что естественно не допустимо с точки зрения прочностных свойств установки. Поэтому в областях 724 и 725 (рис. 3.2) запись производилась с частотой 100 Гц в течение 5 сек. На рис. 3.4 и 3.5 приведены амплитудно-частотные характеристики сигналов стохастических процессов, показанных на рис. 3.1 и 3.2. Обработка первичной информации осуществлялась методом быстрого преобразования Фурье. Из анализа графиков следует, что в области устойчивой работы ступени колеса компрессора, наблюдаются низкоамплитудные (менее 1%) пульсации давления в выходном диффузоре и перепада давления. Частотный диапазон пульсаций занимает практически всю область. Однако, в областях 714, 724, 725. наблюдаются заметные отклонения. При этом в области вращающего срыва (724) амплитуда пульсаций перепада давления возрастает по отношению к первоначальной примерно на 6%. Частота пульсации здесь не превышает 2,5 Гц.
На первом этапе выборка проходила оценку на соответствие нормальному закону распределения. Оценка осуществлялась в соответствии с критерием у?. Уровень принятия гипотезы - 0,95. Теоретические основы метода изложены в работе [21].
При регистрации выходного сигнала датчиков с помощью автоматизированной системы сбора информации возможно появление в результирующей выборке сигнала единичных выбросов показаний. Подобные выбросы являются следствием влияния на сигнал внешних электрических событий, которые носят случайный характер. При проектировании установки большое внимание уделялось вопросам экранирования сигнальных линий и стабилизации питания контрольно-измерительной аппаратуры.
Особенности практической реализации на современных микропроцессорных контроллерах
Проведенные исследования показали, что при корректном выборе источника сигнала, значений периода опроса датчика (частоты сэмплирования) и числа точек обсчета дисперсии, определяющих временную апертуру, а также правильном значении "уставки", предлагаемый алгоритм срабатывает на первом пом-пажном хлопке во всех тестовых примерах с хорошими характеристиками по быстродействию. При этом ложные срабатывания зарегистрированы не были.
Под быстродействием алгоритма защиты от помпажа понимается период времени от срыва компрессора в зону нестационарных режимов до выработки управляющего сигнала на открытие байпасной (сбросной) арматуры. Так в тесте со сменной проточной частью (рис.4.22), предлагаемый алгоритм среагировал на начало помпажа быстрее алгоритма штатной системы автоматизации.
Универсальность алгоритма подтверждается устойчивостью его работы на всех тестовых примерах, несмотря на то, что для тестирования были подобраны компрессоры различного типа, частоты помпажных колебаний изменялись в широких пределах, а источниками сигнала были датчики различных типов.
В результате работы были определены оптимальные значения частоты сэмплирования сигнала, и числа точек обсчета дисперсии. Исследования показали, что уменьшение временной апертуры обсчета дисперсии относительно оптимального значения ухудшает надежность срабатывания алгоритма на помпаж и увеличивает вероятность ложных срабатываний, вызванных шумами и помехами. В свою очередь, увеличение апертуры приводит к неоправданному увеличению объема вычислений, необходимого для практической реализации алгоритма, увеличивает риск ложных срабатываний на переходных режимах, вызванных работой систем регулирования и изменениями сопротивления сети, а также ухудшает быстродействие алгоритма.
Следует отметить, что для надежной работы алгоритма, необходимо проводить расчет параметров дисперсии по всей апертуре на каждом шаге опроса сигнала датчика, то есть осуществлять непрерывную обработку сигнала в реальном масштабе времени.
Алгоритм позволяет вводить в системы автоматизации центробежных компрессоров предупредительную сигнализацию на предпомпажное состояние путем введения дополнительной "уставки", которая меньше по значению "уставки" для выработки управляющего сигнала на открытие байпасной арматуры. Сигнализация об опасности помпажа особенно эффективна на компрессорах с безлопаточным диффузором, имеющих пологую характеристику, так как срыв-ные явления, предшествующие помпажу, приводят к появлению колебаний сигнала датчиков перепада давления на конфузоре и частоты вращения турбины. Компрессор может эффективно работать в предпомпажных режимах долгое время, однако, всегда существует опасность срыва в помпаж даже при небольшом увеличении сопротивления сети. Таким образом, предупредительная сигнализация даст возможность персоналу принять необходимые меры по уменьшению опасности помпажа. В настоящее время такая предупредительная сигнализация реализована только на специальных дорогостоящих устройствах, использующих сложные алгоритмы, основанные, как правило, на непрерывном Фурье-преобразовании сигналов, тогда как данный алгоритм может быть реализован на многих типах современных программируемых логических контроллерах, в том числе, и отечественного производства, серийно выпускаемых для систем автоматизации.
К основным преимуществам данного алгоритма по опознаванию помпажа центробежных компрессоров следует отнести: - высокую надежность опознавания помпажа; - устойчивость к ложным срабатываниям и, как следствие, отсутствие необходимости предварительной обработки сигнала в виде аналоговой или цифровой фильтрации и т.п.; - использование сигнала всего одного датчика; - возможность практической реализации на широком классе современных серийно выпускаемых программируемых логических контроллерах. Полученные в результате проведенных исследований оптимальные значения периода отсчета сигнала (периода сэмплирования), число точек обсчета N, а также необходимость непрерывного (на каждый отсчет сигнала) расчета дисперсии и среднего значения гарантируют устойчивую работу алгоритма с высоким быстродействием практически для всех типов компрессоров и источников сигнала. Однако практическая реализация этих оптимальных значений для непрерывного расчета в реальном масштабе времени накладывает серьезные требования (как аппаратные, так и программные) к микропроцессорному контроллеру. Для расширения класса промышленных программируемых логических контроллеров, пригодных для реализации алгоритма (правда, подчас жертвуя универсальностью применения) можно предложить следующие способы.
Результаты помпажных тестов сменных проточных частей (СПЧ) СПЧ-16/76 на ДКС компрессорной станции "Ямбурггаздобыча"
На графике видно, что вес помех промышленной частоты (50-Гц) ниже или сопоставим с составляющими спектра, определяемыми нестационарностью истечения газа на диафрагме. Импульсные помехи отсутствуют на графике вследствие большого времени усреднения (более 10 с) Фурье-преобразования и соответственно их малого веса на фоне гармонических составляющих.
В этом примере флуктуации перепада давления приводили к "дерганиям" привода байпасного клапана, хотя приводом был пневматический мембранный исполнительный механизм. Ситуация с приводом дроссельной заслонки регулятора давления нагнетания была сложнее, так как заслонка имела электропривод и флуктуации давления приводили к постоянным реверсам привода, что заставляло даже срабатывать автомат электрической защиты привода.
Таким образом, для обеспечения надежной работы регулирующей арматуры с электроприводом переменного тока, необходим цифровой фильтр, обеспечивающий эффективное подавление как гармонических составляющих исходного сигнала в полосе от 3 до 50 Гц, так и импульсных помех, имеющих случайный характер. Также алгоритм фильтра должен иметь возможность практической реализации на программном обеспечении (ПО) большинства промышленных ПЛК с учетом как вычислительной мощности процессорных модулей, так и быстродействия модулей ввода аналоговых сигналов (АЦП).
Требования изложенные в предыдущем разделе имеют противоречивый ха-рактер. Так, линейные фильтры низких частот (ФНЧ) хорошо справляются с гармоническими помехами, имеют амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики, хорошо совместимые с системами автоматического регулирования, использующими пропорционально-интегральный метод. Они легко поддаются алгоритмизации и не требуют большого объема вычислений при практической реализации. Однако линейные фильтры малоэффективны для подавления импульсных помех.
Нелинейные фильтры, напротив, хорошо справляются с импульсными помехами, однако неэффективны для гармонических составляющих помех, особенно низкочастотных, так как для их фильтрации требуется большая апертура, а, следовательно, большое количество вычислений.
Исследования показали, что наилучший эффект для решения поставленной задачи дает комбинация линейного рекурсивного цифрового ФНЧ первого порядка с медианным фильтром малой апертуры.
Медианный фильтр из "п" по- "т" работает по следующему алгоритму: "п" отсчетов сигнала сортируются в порядке возрастания (убывания), "т" наименьших и "т" наибольших отбрасываются, а оставшиеся (n-2m) отсчетов усредняются. При т=0 фильтр вырождается в линейный цифровой фильтр, имеющий название "ползучего среднего".
Для подавления импульсных помех в рассматриваемом случае был выбран медианный фильтр с минимальной апертурой - три отсчета. Анализ спектров сигналов датчиков показал, что выбранный период опроса т = 10 мс превышает длительность импульсов помех, а апертура фильтра Т = 30 мс меньше средне статистического периода следования импульсов. Таким образом, фильтр эффективно справляется с импульсными помехами. Медианный фильтр на три отсчета реализуется на языках программирования практических всех промышленных ПЛК и требует минимального количества инструкций, что очень важно с позиций быстродействия всего прикладного ПО контроллера, так как требуется обсчет сигналов с частотой 100 Гц.
Для фильтрации гармонических составляющих помех был выбран рекурсивный ФНЧ первого порядка с частотой дискретизации 50 Гц, который является цифровым аналогом аналогового ФНЧ первого порядка (так называемого апериодического звена), передаточная функция которого описывается уравнением фильтра вполне достаточен, так как частота среза fc =—Тф может быть вы брана достаточно малой (десятые доли герца), нто компенсирует небольшую крутизну фильтра первого порядка (20db на декаду). Большая постоянная времени фильтра не оказывает существенного влияния на устойчивость системы автоматического регулирования, так как она сравнима с периодом ТТТИМ-модуляции и, соответственно, много меньше постоянной времени механизма привода. Частота дискретизации была выбрана равной 50 Гц для экономии вычислительной мощности процессорного модуля контроллера ЭК-2000. Согласно теории цифровых фильтров, рекурсивный ФНЧ имеет коэффициент передачи равный единице на частоте сигнала, равной частоте дискретизации, то есть помехи промышленной частоты не фильтруются, однако частоты свыше 30 Гц достаточно хорошо подавляются входным аналоговым фильтром модулей АЦП контроллеров ЭК-2000. Для ГОЖ других типов необходима частота дискретизации не менее 100 Гц.
