автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Методы контроля рабочего процесса газоперекачивающих агрегатов, обеспечивающие переход к эксплуатации по фактическому состоянию

на правах рукописи ,•* Торянников Алексей Александрович

005013023

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПЕРЕХОД К ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО ФАКТИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ

05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 (<!\Р 1Ш

Санкт-Петербург 2012

005013023

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров» на кафедре теплосиловых установок и тепловых двигателей

Научный руководитель: д.т.н., профессор В.В. Рыбалко

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор H.H. Попов

Защита состоится «с7» апреля 2012 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета № Д 212.231.01 при Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров (198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных,

к.т.н., доцент В.Ф. Белинский

Ведущая организация:

СУ «Леноргэнергогаз» -филиала ОАО «Оргэнегрогаз»

Д.4.

Автореферат разослан «

» -tytQ 2012

года

Учёный секретарь

...

диссертационного совета, д.т.н.

Махотина Л.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основными направлениями развития и оптимизации работы парка газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на компрессорных станциях газотранспортной системы ООО «Газпром транс-газ Санкт-Петербург» остается повышение их надежности. Разработка эффективных методов контроля технологических параметров энергетической установки в период эксплуатации, выявление дефектов и неисправностей на ранней стадии их возникновения, а также определение остаточного ресурса является весьма актуальными вопросами. Рассмотренные в диссертационной работе вопросы повышения информативности критериев идентификации дефектов, неисправностей газотурбинных двигателей в составе ГПА являются актуальными научными задачами. Это позволит, в конечном итоге, предотвратить непредвиденные отказы и аварийные остановки в системе транспортировки газа.

Целью диссертационного исследования, выполненного в рамках диссертации, является решение научно-технической задачи поддержания в процессе повседневного функционирования нормативного уровня качества эксплуатации газотурбинных двигателей, эксплуатируемых на компрессорных станциях газотранспортной системы ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург».

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Впервые разработана методика поузлового параметрического диагностирования элементов систем ГПА в процессе эксплуатации.

2. Впервые разработана методика непрерывного контроля (мониторинга) состояния узлов ГПА находящихся в работе на основе адекватных математических моделей и корректировки сроков регламентных работ, позволяющая сократить время простоя ГПА для восстановления работоспособности.

Практическая ценность. Разработанная методика поузлового диагностирования элементов систем ГПА задействована и внедрена в повседневную эксплуатацию газоперекачивающих агрегатов ГПА-4РМ

в филиале ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» Псковского линейного производственного управления магистральных газопроводов (ЛПУ МГ) на компрессорной станции (КС) «Изборск».

Положения, выносимые на защиту:

- Обоснование необходимости совершенствования существующей системы эксплуатации ГПА в целях поддержания нормативных значений экономичности и надёжности.

- Разработка методов контроля рабочего процесса ГПА, позволяющих перейти к эксплуатации газотурбинных двигателей по фактическому состоянию.

- Разработка частных методик управления качеством эксплуатации, позволяющих обеспечить эффективное функционирование ГПА за счёт оперативного технического диагностирования и корректировки сроков регламентных работ. Работоспособность созданных методик подтверждается практикой эксплуатации газотурбинного двигателя 4РМ (двигателей четвёртого поколения).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на ежегодных отраслевых научно-технических конференциях ООО «Газпром-трансгаз Санкт-Петербург».

Публикации. Возможность перехода по фактическому состоянию ГПА и методы повышения качества эксплуатации газоперекачивающего оборудования отражено в 3 публикациях, в том числе 2 в изданиях рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (120 наименований); изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 35 рисунков и б таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обосновывается актуальность исследуемой проблемы, определена цель работы, выбраны направления исследований, обеспечивающих достижение поставленной цели.

В первой главе проведён анализ особенностей рабочего процесса ГГТА и обоснована необходимость перехода к эксплуатации по фактическому состоянию. Автором рассмотрены виды и наработка газотранспортного оборудования эксплуатирующего в газотранспортной системе (ГТС) «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», на долю которого приходится до 85 % всех газоперекачивающих агрегатов отрасли; электроприводные ГПА составляют порядка 15 %, поршневые ГПА - 1%. Парк газотурбинных газоперекачивающих агрегатов (ГТОА) насчитывает более 20 типов агрегатов единичной мощностью от 2,5 до 25 МВт, значительная доля газотурбинного парка морально и физически устарела. Таким образом, в системе технической эксплуатации решается ряд производственных задач, среди которых основные задачи связаны с повышением качества эксплуатации и обеспечением надежности и безопасности использования современного высокотехнологичного и высоконапряжённого оборудования.

Рассмотрена проблема обеспечения надежности и безопасности эксплуатации энерготехнологического оборудования газотранспортной системы «Газпром трансгаз Санкт-Петербург». В процессе проведенного исследования большой группы ГПА, на протяжении десяти лет установлено, что повреждение агрегатов, связанные с вынужденными остановками и простоями, по причине дефектов самого оборудования, включающие ошибки проектирования, дефекты изготовления, сборки, монтажа и материалов, достигают 73 %, из них ошибки проектирования составляют 45 %. Естественно, на долю остальных неполадок приходится незначительная часть.

Новизна полученных результатов заключается в том, что анализ работы ГПА ГТС ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» проведенных на протяжении двух лет позволил определить характеристики надежности и проследить интенсивность отказов, характеризующий уровень надёжности оборудования.

На основе анализа статистических данных за 2008-09 г.г., сделан вывод о том, что основная доля отказов приходится на механическое оборудование ГПА. Значительная часть отказов может быть классифицирована как постепенные, возникающие в результате накопления повреждений в деталях ГПА из-за воздействия различных внешних и внутренних факторов.

Исследованы пути решения проблемы перехода к эксплуатации ГПА по фактическому состоянию. Выполнен анализ существующей (традиционной) системы обслуживания и ремонта газотурбинной техники, который используется на протяжении более 30 лет. Из полученных результатов сделан вывод, что за это время произошли принципиальные изменения в конструкции ГПА и условиях их эксплуатации, в результате чего система перестала в полной мере удовлетворять возросшим требованиям по обеспечению безопасности, технико-экономической эффективности эксплуатации газоперекачивающих агрегатов.

Из полученных теоретических исследований и опыта эксплуатации ГПА, как в нашей стране, так и в зарубежных компаниях следует, что наиболее эффективной и перспективной является система технического обслуживания и ремонта газоперекачивающей техники по фактическому состоянию. Для реализации на практике такой системы эксплуатации требуется определённая теоретическая база и соответствующие частные методики контроля рабочего процесса ГПА. За основу решения указанной проблемы предлагаются методы контроля и управления качеством эксплуатации, созданные в диссертационной работе.

Во второй главе рассмотрена методика распознавания уровня технического состояния ГПА в эксплуатации. Автором проанализированы причины отказов, выявленные в процессе эксплуатации, объективно обуславливающие возможность возникновения неисправностей.

Наряду с объективными причинами имеют место и причины субъективного характера, обусловленные нарушениями, допускаемыми

при эксплуатации ГПА. Многообразие многоплановость причин возникновения неисправностей в значительной степени затрудняют их идентификацию, а в ряде случаев не позволяют имеющимися средствами достоверно определить класс, к которому они относятся. Задача идентификации причин возникновения неисправностей неразрывно связаны с задачей по распознаванию неисправностей. Обе задачи должны решаться комплексно в процессе разработки алгоритмов диагностирования.

Проведена подготовка и проверка статистической информации о работе ГПА. Рассмотренный в главе 1 анализ статистики выхода из строя ГПА, основных и вспомогательных систем, свидетельствует, что главные причины неполадок, вызывающие вынужденные, аварийные остановки и низкий коэффициент использования оборудования является недостаточный исходный технический уровень основного газотранспортного оборудования - ГПА. Часто для ГПА используют газотурбинные двигатели и другие ответственные элементы, разработанные на предприятиях различных непрофильных ведомств (например, судовые и авиационные ГТД ). Такое оборудование не всегда соответствует условиям эксплуатации в газотранспортной системе РФ.

Так, в 2008 г. из 66 аварийных остановок, относящиеся ко всему работающему парку ГПА «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», 2 аварии приходились на агрегаты типа ГПА-4РМ, при среднем количестве проработавших за этот год агрегатов, равном 2 агрегата. Если в среднем по всем работающим агрегатам ITC «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» наработка на отказ доходила до 3000 часов, то на КС с установленными ГПА-4РМ этот показатель значительно был снижен до 1323 часа, относительно требований ГОСТ 28775-90.

Выполнено распознавание технического состояния ГПА на основе анализа эксплуатационной информации. Рассмотрены методы оценки и критерии эффективности управления эксплуатацией ГПА. Внедрение

методов и средств диагностирования технического состояния на всех стадиях жизненного цикла ГПА позволит:

- обеспечить поэтапный и непрерывный контроль процесса создания ГПА на всех стадиях разработки;

- перейти от традиционной системы планово-предупредительных ремонтов к ремонту по фактическому состоянию;

- повысить стабильность значений выходных показателей эффективности ГПА (располагаемой мощности и к.п.д) в межремонтный период путем принятия своевременных мер по устранению выявленных неисправностей на работающих ГПА;

- повысить коэффициент использования ГПА;

- уменьшить вероятность внезапных отказов и тем самым повысить безопасность и исключить последствия материального характера;

- обеспечить необходимые условия для решения одной из основных проблем экономики турбомашиностроения - определения оптимального распределения средств между сферами проектирования, производства, стендовой доводки и эксплуатации с целью получения максимального экономического эффекта.

В третьей главе разработана методика непрерывного контроля (мониторинга) рабочего процесса ГПА в целях перехода к эксплуатации по фактическому состоянию. Обоснованы принципы разработки математических моделей контроля рабочего процесса ГТД для формирования алгоритмов управления эксплуатацией ГПА. Созданы математические модели оценки технического состояния ГТД в эксплуатации и модели корректировки сроков технического обслуживания.

Математические модели различного уровня сложности часто формируются на основе анализа множества измеренных параметров объекта энергетики. В основе построения таких моделей лежат зависимости, полученные методами теории регрессионного анализа.

В частном случае фактор может быть один и тогда создается од-нофакторная модель. Модель может быть представлена также уравнением регрессии с несколькими независимыми переменными. Линейная модель множественной регрессии имеет вид:

У = Ь0 ■ х0 + Ь, ■ х1 + Ь2 ■ х2 + ■■■ + Ьк ■ хк + е, (1)

При оценке параметров этого уравнения в каждом /-м наблюдении фиксируют значение результативного признака у1 и факторных признаков Хщ, х,к, образующий вектор X. Слагаемое , является случайным возмущением, имеющим математическое ожидание, равное нулю, и дисперсию 2; Хд - фиктивная переменная, равная нулю. Для использования уравнений оценки неизвестных параметров модели в матричном виде приняты следующие обозначения: Ь " (Ъ^ } = 0,1, к - вектор неизвестных параметров; ¿-число неизвестных параметров;

- вектор оценки параметров; У — (у^), / = 1, ..., п - вектор значений зависимой переменной; п - число наблюдений;

Х=(Ху) — матрица значений независимых переменных размерностью „¡щ.

В регрессионном анализе предполагается, что факторы (независимые

переменные) линейно независимы.

= (,-)- вектор ошибок модели (ошибок наблюдения);

е = (е,) - вектор ошибок в уравнении с оцененными параметрами. Под

вектором в данном случае понимается матрица размерностью п 1

(вектор-столбец).

Более общий случай представляют собой модели с заданными функциями факторов

У-Ро+РлР! (х,,Х2, ...,Хк)+...+ Рыфы^ьХъ ... +£, (2)

где (р1(х1,х2,...,х^, /' = 1,2,..., к- 1 - функции факторов.

Функции (х1,х2,... мо1ут приниматься разработчиком на основе дополнительной информации о характере моделируемых процессов.

Во многих случаях для исследования процессов в тепловых двигателях достаточно получить полиномиальные модели вида

?=ро+£ + £ РиЩ + I Ри*2, + -, (3)

¡=1 ку 1=1

где к— количество факторов, учитываемых в модели.

Показатели качества математических моделей, вычисляются программно в интегрированном статистическом пакете Ла^и/гш.

Адекватность или правильность отражения принципов и особенностей реальных процессов оценивались по коэффициенту множественной корреляции Я

Статистическая значимость линейной регрессионной модели оценивалась по критерию Фишера К

Величина F сравнивалась с критическим значением - Ь\_а (к-\,п-к), которое определяется по таблице F - критерия при уровне значимости а-1 — у с учетом принятой доверительной вероятности и степенью свободы и1 = к-1, и и2 = п-к. Если 17>Р1:р то линейная регрессионная модель статистически значима.

Статистическая значимость коэффициентов регрессионной модели оценивалась по ^ — критерию Стьюдента.

Критическое значение критерия Стьюдента ¡кр определялось с помощью статистических таблиц или соответствующих операторов в математических пакетах для ПК. При условии > у — й коэффициент статистической модели считается значимым при вероятности этого вывода равной.

На основе анализа эксплуатационной информации в работе созданы математические модели оценки технического состояния ГТД в эксплуатации и модели корректировки сроков технического обслуживания. В диссертационной работе разработаны адекватные математические модели характеризующие техническое состояние подшипника передней опоры ТК, подшипника задней опоры ТК, подшипника опоры силовой турбины, осевого компрессора, ГВТ (рис.1).

Модель №1 адекватна, о чем свидетельствуют полученные значения коэффициента множественной корреляции R = 0,816, критерия Фишера, большего своего критического значения, F = 195,49 и критерия Стьюдента t = -3,10.

Модель №2 адекватна, о чем свидетельствуют полученные значения коэффициента множественной корреляции R = 0,751, критерия Фишера, большего своего критического значения, F = 191,79 и критерия Стьюдента t = -2,71.

Модель №3 адекватна, о чем свидетельствуют полученные значения коэффициента множественной корреляции R = 0,798, критерия Фишера, большего своего критического значения, F = 259,91 и критерия Стьюдента t = -8,12.

Модель №4 адекватна, о чем свидетельствуют полученные значения коэффициента множественной корреляции R = 0,854, критерия Фишера, большего своего критического значения, F = 185,04 и критерия Стьюдента t = -6,90.

Понятно, что разработанные математические модели подлежат регулярной корректировке (уточнению параметров), которая должна производится периодически с увеличением наработки ГТД. С использованием созданных математических моделей может выполняться непрерывный контроль технического состояния газотурбинных двигателей путём сравнения эталонных (модельных) и фактических значений измеренных параметров. Сравнение производится путём сопоставлению (проверки однородности) выборок измеренных и эталонных параметров по критерию Стьюдента. Если вычисленное значение квантили распределения Стьюдента меньше критического анализируемых выборок значения (при уровне значимости 0,05), то это свидетельствует о принадлежности к общей генеральной совокупности. Этот результат можно трактовать как отсутствие тренда параметров и, следовательно, как работоспособное состояние конкретного узла или ГТД в целом.

м * ; ** '

МЛТШАТИЧ® СКАЯ

_________________модель ш________

га* « &г -

•ап« в|»гй«с шш ТК, масэд ш» ш®« с НО ТК

** Т*ч< £ * 'V С»1

¿7' ? _ ' I ----

ЖтШзтаёосАЯ Етам \Ш I « 1 • и ч 11 Мжг«йигаи»емш шдегв» им«« виз: | Мтшятезая »дет? 11

11 ъ^аОК |

|| {где ярг - «ш*1т|

| гяе ит-щшъ&ятя | ] щяютж Тк&ъвт I часто« врявдшияТК, | 1«шдуха заОК !

| «■• ¡шдедо «мвячйвг» } I м*,» т шв( < зо ТК 5

11 МАШШЖЯШОКАЯ | щуьж

| Мдада птаскзя м»д«ш.

; | ТШееГ Ш1Д: | & " ?

| гж - »{ишта^нл-ша { частое» вращгшш ТК, | •>•'< >шя:

{ижштш» I ш ® ж аш« * «вер»« СТ I ТК

Рис.1. Математические модели оценки технического состояния узлов ГТД-4РМ

На основе разработанного метода параметрического диагностирования ГПА-4РМ возможно выявить (и тем самым предупредить) на ранней стадии развития, следующие отказы: разрушение подшипника передней опоры турбокомпрессора (ПО ТК) (математическая модель №1); разрушение подшипника задней опоры турбокомпрессора (30 ТК) (математическая модель №2); разрушение подшипника опоры силовой турбины турбокомпрессора (СТ ТК) (математическая модель №3); износ, разрушение шестерен нагнетающего насоса смазки ТК (математические модели №1, №2, №3); разрушение лопаток осевого компрессора (ОК) (математическая модель №4); разрушение лопаток ТК (математическая модель №4); прогар стенок камеры сгорания (математическая модель №4).

Внедрение методики поузлового диагностирования ГПА типа ГПА-4РМ и разработанный на ее основе программный комплекс, в процессе эксплуатации позволит сократить затраты на внеплановый ремонт.

Экономический расчет затрат на ремонт элементов ГПА-4РМ

Норма трудоемкости на ревизию подшипника ГТД-4РМ составляет - 192 человека/час. Стоимость человека/час на ревизию одного подшипника ГТД-4РМ составляет - 28645 рублей. Норма трудоемкости на ревизию осевого компрессора ГТД-4РМ составляет - 184 человека/час.

В случае предупреждения отказа указанных элементов ожидаемый экономический эффект составит: подшипник передней опоры ТК -5,5 млн. рублей; подшипник задней опоры ТК- 5,5 млн. рублей; подшипник опоры силовой турбины ТК - 5,5 млн. рублей; компрессор осевой - 5,27 млн. рублей.

Не все задачи перехода по фактическому состоянию можно решить с помощью созданных моделей. В процессе эксплуатации существуют механические отказы узлов и деталей, которые параметрическое диагностирование не в силах выявить.

Имея достаточно продолжительный опыт эксплуатации ГПА-РМ, можно вывести закон надежности для ГПА-4РМ, с последующей корректировкой сроков проведения технического обслуживания (ТО).

В диссертации в качестве примера проанализированы наработки до отказа элементов системы смазки и суфлирования ГПА-4РМ за период с 2008 по 2010 год. Расчет выполнялся с помощью статистического пакета Х1а1ЫЧса.

Расчётом установлено, что вероятность безотказной работы данных элементов может быть представлена законом Вейбулла с параметрами: а = 4662,8; 6 = 2, 1508.

р( 0 = ехр

(4)

На рис.2 показан график вероятности отказов системы смазки и суфлирования ГПА-4РМ, расчёт выполнялся с помощью статистического пакета Statistica.

Вероятность отказа t; Censoring: I (1.0) N=33 Censored:24 Plot indicates estimated confidence interval: 95,0% Parameters: Locstion=0.0000 Параметр формы £=2,1503 Параметр маштаба э=4662.8

0.9 0.8 0.7 0,6 0.5 0,4 0,3 0:2 0,1 0.0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 • 4000 4500 5000

Наработка, ч

Рис.2. График вероятности отказов систем смазки и суфлирования ГПА-

4РМ

На основе полученного расчета можно утверждать, что при наработке элементов маслосистемы ГТД более 1000-1200 ч. техническое об-

служивание элементов маслосистемы следует проводить через 1000 ч., для предотвращения отказов таких ответственных элементов, как подшипники (согласно техническому руководству по эксплуатации техническое обслуживание следует выполнять через 1500 ч).

В четвертой главе разработаны рекомендации по использованию методики управления качеством эксплуатации газотурбинных двигателей ГПА. Предложена методика перехода к эксплуатации ГПА по фактическому состоянию. Показаны пути практической реализация методики и алгоритмов управления качеством эксплуатации. Обоснованы критерии эффективности принимаемых решений. Определены направления совершенствования программы управления качеством эксплуатации ГПА.

Как показано в главе 3, выход значения конкретного параметра за предельный уровень означает параметрический отказ. Достижение пре-дотказного уровня означает необходимость выполнения профилактических работ. Величина упреждающего допуска Ац= // * * - >]* связана с величиной периодичности контроля А г ¡2 -1/ таким образом, чтобы реализация процесса изменения параметра, определяющего техническое состояние объекта, после пересечения предотказного уровня »/* при наработке не пересекла до момента О уровня ц** с вероятностью р(0>рз, где рз — заданный уровень вероятности безотказной работы за время Ат. Замена объекта производится в моменты контроля 12, при

Исследования подтвердили известное положение о том, что решение задачи обеспечения требуемой надёжности ГПА в эксплуатации зависит как от создателей техники, так и в значительной мере от организации системы эксплуатации. Организация эксплуатации должна включать использование систем автоматизированного контроля технического состояния и разработки рекомендаций по оптимальным срокам ТО. Основой для создания таких систем могут служить выполненные в диссертации исследования.

Основные результаты диссертационной работы

1. Выполнен анализ существующей системы эксплуатации газоперекачивающих агрегатов на объектах газотранспортной сети «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», который показал, что она не всегда удовлетворяет существующим требованиям по надёжности приводных двигателей. Установлено, что для обеспечения надёжной и экономичной эксплуатации газотурбинных двигателей актуальным становится внедрение новых методов в систему управления эксплуатацией газоперекачивающих агрегатов. Такая система в отрасли пока не создана.

2. На основе выполненного анализа разработаны методы контроля рабочего процесса газоперекачивающих агрегатов, позволяющие перейти к эксплуатации газотурбинных двигателей по фактическому состоянию с возможностью производить оценку работоспособности таких узлов, как подшипники передней опоры турбокомпрессора, подшипник задней опоры турбокомпрессора, подшипник силовой турбины турбокомпрессора, работу компрессора осевого, работу камеры сгорания газоперекачивающего агрегата во время эксплуатации без его остановки и без применения специального оборудования.

3. С использованием статистических данных по эксплуатации газоперекачивающих агрегатов разработана математическая модель корректировки сроков технического обслуживания, позволяющая приблизить моменты технического обслуживания к фактическому состоянию узлов газотурбинного агрегата. Работоспособность модели и её практическая значимость подтверждена опытом эксплуатации газоперекачивающих агрегатов в 2011 году на компрессорной станции «Изборск» газотранспортной системы ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург». Акт внедрения №01 -25/1004 от 21.11.2011 г.

4. Результаты выполненного исследования могут быть положены в основу разработки автоматизированных систем управления качеством эксплуатации различных газоперекачивающих агрегатов, используемых в ОАО «Газпром».

5.Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных методов контроля рабочего процесса ГПА-4РМ при предупреждении отказов отдельных элементов и узлов может составить:

- подшипника передней опоры турбокомпрессора - 5,5 млн. рублей;

- подшипника задней опоры турбокомпрессора - 5,5 млн. рублей;

- подшипника опоры силовой турбины турбокомпрессора - 5,5 млн. рублей;

- компрессора осевого - 5,27 млн. рублей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Торянников A.A. Анализ надежности нагнетателей НЦ-16/76-1.44 ГПА Ц-16 газотранспортной системы ОАО «Газпром» // Газовая промышленность. -2010. - №8. - С. 78-80.

2. Торянников A.A. Обеспечение безотказной работы ГПА при смене поколений газотурбинного привода // Газовая промышленность. -2012,-№2.-С. 64-66.

3. Торянников A.A. Новые технологии в газовой промышленности. Актуальные проблемы развития газотранспортной системы. Тезисы доклада: Безотказность и диагностика ГТД.-М.: ООО «Газпром трансгаз СПб», 2008. - С. 91-92.

Отпечатано в копировальном центре ООО «Копи-сервис» Тираж 100 экземпляров Отдано в печать 05.03.2012 г.

61 12-5/3265

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

на правах рукописи

Торянников Алексей Александрович

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПЕРЕХОД К ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО

ФАКТИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ

Специальность 05.14.04 «Промышленная теплоэнергетика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В.В. Рыбалко

Санкт-Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

Глава 1. Анализ особенностей рабочего процесса ГПА и обоснование необходимости перехода к эксплуатации по фактическому состоянию 11

1.1. Проблема обеспечения надежности, безопасности эксплуатации энерготехнологического оборудования газотранспортной системы «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» 11

1.2. Анализ показателей надёжности газотурбинных двигателей при работе по прямому назначению в составе ГПА 18

1.3. Пути решения проблемы перехода к эксплуатации по фактическому состоянию 24

Глава 2. Методика распознавания технического состояния ГПА в эксплуатации 31

2.1. Подготовка и проверка статистической информации о работе ГПА 31

2.2. Распознавания технического состояния элементов ГПА на основе анализа эксплуатационной информации 35

2.3. Методы оценки и критерии эффективности управления эксплуатацией ГПА 41

Глава 3. Методика контроля рабочего процесса ГПА в целях перехода к эксплуатации по фактическому состоянию 48

3.1. Принципы разработки математических моделей рабочего процесса ГТД для формирования алгоритмов управления эксплуатации ГПА 48

3.2. Математические модели оценки технического состояния ГТД в эксплуатации 57

3.3. Математические модели корректировки сроков технического обслуживания 80

Глава 4. Разработка рекомендаций по использованию методики управления эксплуатации газотурбинных двигателей ГПА 89

4.1. Методика перехода к эксплуатации по фактическому состоянию 89

4.2. Практическая реализация методики и алгоритмов управления эксплуатацией. Критерии эффективности принимаемых решений 94

4.3. Пути совершенствования программы управления эксплуатацией ГПА 101

Заключение 105

Литература 108

Приложение 120

Принятые сокращения и обозначения ГПА - газоперекачивающий агрегат ГГПА - газотурбинный газоперекачивающий агрегат ЭГПА - электрический газоперекачивающий агрегат ГМК - газомотокомпрессор ГТД - газотурбинный двигатель КС - компрессорная станция МГ - магистральный газопровод ТУ - технические условия МТ - магистральный трубопровод ИТР - инженерно-технический работник ПХГ - подземное хранилище газа АСУ - автоматическая система управления ТО и Р - техническое обслуживание и ремонт ПО - программное обеспечение МАХ - максимум МШ - минимум ГТП - газотранспортный парк АВР - аварийно-восстановительный ремонт ГТС - газотранспортная сеть ММ - математические модели ДП - диагностические параметры ПО - передняя опора ЗО - задняя опора СТ - силовая турбина ТК - турбокомпрессор РД - руководящий документ ГОСТ - государственный стандарт НТД — нормативно-технические документы

ПН - показатели надежности ПБ - показатели безотказности ЛВМ - логико-вероятностный методы ЕСГ - единая система газоснабжения ТНД - турбина низкого давления ТВД - турбина высокого давления ГТУ - газотурбинная установка

СТОР - система технического обслуживания и ремонта КПД - коэффициент полезного действия МНК - метод наименьших квадратов

ВВЕДЕНИЕ

Российское акционерное общество Газпром является крупнейшей компанией в России и крупнейшей газовой корпорацией в мире. По всей стране на предприятиях Газпрома работают 250 тысяч человек. Филиалы Газпрома расположены на всей территории России и в 70 городах Европы и Америки. Являясь фактическим монополистом по добыче газа на территории России, Газпром контролирует 95% российского газа и 25% всей газодобычи в мире, поставляя газ в 24 страны.

К наиболее фондоемкой подотрасли газовой промышленности относится магистральный транспорт газа. В настоящее время протяженность газопроводов составляет 152 тыс. км, из них 49 тыс. км диаметром 1420 мм рассчитаны на давление 7,4 МПа [6].

Известно, что на транспортировку газа приходится примерно 10% стоимости основных фондов отрасли. Это колоссальные суммы, снижение которых является одной из приоритетных задач работы специалистов. Отказы ГПА приводят к вынужденным простоям системы и к увеличению стоимости транспортировки газа [73,90,92,115].

На магистральных газопроводах, промыслах и ПХГ находится в эксплуатации 278 компрессорных станций (КС), 733 компрессорных цеха (КЦ), где установлено 4198 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) общей мощностью 46,57 млн. кВт. Парк ГПА был представлен тремя видами привода: газотурбинный (ГТУ), электрический (ЭГПА) и поршневой (ГМК), составляющими соответственно более 87%, 12,5 % и менее 1% мощности парка. При этом 51% общего количества газоперекачивающих агрегатов составляли стационарные промышленные ГПА (отечественного и зарубежного производства), 36% - авиационные, 13% - судовые.

В течении ряда лет ДОАО «Оргэнергогаз» осуществляет сбор, проверку достоверности и обобщение эксплуатационных данных, расчет и анализ показателей надежности ГПА в соответствии с ГОСТ 27.002-89 и ведомственной

инструкцией по сбору и обработке эксплуатационных данных. Используются следующие показатели и коэффициенты:

- относительное время нахождения в работе, резерве, ремонте, вынужденном простое;

- коэффициенты: готовности (Кх), оперативной готовности (Ког), технического использования (Кхи);

- наработка на отказ (Т0);

- общее число отказов и пусков и др. показатели.

При этом особое внимание уделяется показателям надежности, которые наиболее полно определяют техническую сторону дефектов и отказов: Т0, Кхи и Кт. Кроме того, учитывается общее количество отказов и оценивается распределение их по системам ГПА: механической, электрической и системе автоматики и управления.

Наработка на отказ парка ГПА (ГПА-Ц-16/76, ГТК-10-4, ГПА-Ц-6,3/56, ГТК-10-4, ГПУ-16/76-1,44, ГПА-25/76, ГПА-16 «Урал») за 2003-2010 г.г. находится в диапазоне от 6-9 тыс. ч, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 2877590, которые регламентируют наработку 3500 ч. Однако некоторые агрегаты имеют наработку ниже требований ГОСТ. Значительная доля отказов ГПА связана с выработкой ресурса большого количества агрегатов, их моральным и физическим износом. В течении 2003-2010 г.г. имеет место тенденция к неуклонному увеличению количества ГПА, выработавших назначенный ресурс, в основном за счет «старых» моделей стационарных ГПА [68].

Технический уровень газотурбинных ГПА оказывает существенное влияние на показатели транспорта газа, т.к. стоимость КС составляет не менее 25 % общей стоимости газопровода, а расход топливного газа на работу ГТУ -5-10 % от транспортируемого газа [73].

В отрасли происходит непрерывный рост количества ГПА, выработавших установленный ресурс. Так, если на конец 2003 г., таких ГПА было 805 ед., то на конец 2007 г. их стало 1135. С 2003 по 2010 г.г. относительное коли-

чество ГПА, выработавших установленный ресурс, увеличилось, несмотря на то, что за эти годы были введены новые типы ГПА [6].

Таким образом, из отмеченного выше можно сделать вывод, что важнейшей задачей обеспечения высокой надежности и безопасной эксплуатации Единой системы газоснабжения (ЕСГ) в условиях дефицита финансовых и материальных ресурсов может быть достигнуто только за счет перехода на новые методы управления эксплуатацией агрегатов, в частности, выполнения ремонтов и профилактических работ по фактическому состоянию объектов.

В диссертационной работе рассмотрены методы контроля рабочего процесса газоперекачивающих агрегатов, которые включают в себе совокупность разработанных методик обеспечивающих контроль и управление техническим состоянием узлов ГПА.

Актуальность темы. Надежная и бесперебойная перекачка природного газа невозможна без эффективной работы газоперекачивающих агрегатов. Основными направлениями развития и оптимизации работы агрегатного парка остается повышение надежности. Принципиальные возможности совершенствования эксплуатации и ремонта ГПА, отвечающие современным требованиям экологичности и безопасности, основаны на решении теоретических и практических задач анализа надежности и безотказности сложных технических систем. Современная техника требует создание универсальных методов достоверной оценки работоспособности оборудования, как в текущий момент, так и в некоторых прошлых и будущих промежутках времени. Поэтому, разработка эффективных методов контроля технологических параметров энергетической установки в период эксплуатации, выявление дефектов и неисправностей на ранней стадии их возникновения, а также определение остаточного ресурса является весьма актуальным вопросом, оценка технического состояния потенциально опасных элементов технической системы в основном базируется на структурном анализе надежности ее компонентов, динамических методах контроля (диагностирование по параметрам вибрации и термогазодинамическим

характеристикам) и анализе загрязнений ГВТ. Успех диагностирования в значительной степени обусловлен правильностью выбора информативных параметров для построения принципиальных диагностических моделей объекта и моделей распознавания и идентификации систем измерительных систем. Однако еще не решен вопрос распознавания трудноразличимых неисправностей по количественной и качественной оценке функциональных и вибрационных параметров [7]. Поэтому рассмотренные в диссертационной работе вопросы повышения информативности критериев идентификации дефектов, неисправностей ГПА являются актуальными научными задачами. Это позволит, в конечном итоге, предотвратить непредвиденные отказы и аварийные остановки.

Решение указанных проблем может быть основано на общей концепции управлением эксплуатацией сложных технических объектов. Под управлением эксплуатацией ГПА следует понимать решение на единой методологической основе следующих вопросов:

- мониторинга технического состояния объектов ГПА путём непрерывного анализа текущих параметров;

- предупреждения возможных отказов за счёт раннего обнаружения предпосылок к их возникновению;

- контроля показателей надёжности объектов путём анализа основных показателей безотказности и формирование на этой основе планов выполнения регламентных работ.

В связи со сложностью и обширностью вопросов, составляющих методы контроля рабочего процесса ГПА в целях перехода к эксплуатации по фактическому состоянию, в диссертационной работе поставлены и решены применительно к основным объектам ГПА следующие задачи:

1. Выполнен анализ особенностей рабочего процесса ГПА и условий их использования в газотранспортной сети РФ. На основании этого анализа обоснована необходимость перехода к эксплуатации ГПА по фактическому состоянию.

2. Разработана методика распознавания технического состояния ГПА в эксплуатации.

3. Разработаны частные методики контроля рабочего процесса ГПА и управления эксплуатацией газотурбинных двигателей в целях перехода к эксплуатации по фактическому состоянию.

4. Разработаны рекомендации по использованию методики управления эксплуатацией газотурбинных двигателей ГПА.

Целью диссертационного исследования, выполненного в рамках диссертации, является решение научно-технической задачи поддержания в процессе повседневного функционирования нормативного уровня качества эксплуатации газотурбинных двигателей, эксплуатируемых на компрессорных станциях газотранспортной системы ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург».

Объект исследования: газотурбинные двигатели четвёртого поколения типа ГПА-4РМ газоперекачивающих агрегатов газотранспортной сети «Газпром-трансгаз Санкт-Петербург».

Предмет исследования рабочий процесс газотурбинных двигателей ГПА-4РМ.

Состояние изученности темы. Исследованию задач повышения надежности энергетического оборудования посвящены труды многих авторов. Наибольший вклад внесли Д.Т. Аксенов, А.Н. Козаченко, Э.А. Микаэлян, С.П. За-рицкий, B.JI. Березин, А.И. Гриценко, H.H. Смирнов, A.A. Ицкович, Е.И. Яковлев и др.

До настоящего времени исследования в области повышения эксплуатационной надежности ГПА с целью перехода по фактическому состоянию носили ограниченный характер. Они сводились к решению отдельных частных задач по разработке упрощенных методов контроля и испытаний применительно к отдельным типам ГПА. Эти исследования проводившиеся в РГУНиГ им. И.М. Губкина, Оргэнергогаз, ВНИИЭГ Газпром, носили, как правило, со-

путствующий характер при решении различных частных технологических задач.

Опыт, накопленный в смежных отраслях служит только основой теоретического обобщения при решении проблемы прогнозирования технического состояния ГПА.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Впервые разработана методика поузлового параметрического диагностирования элементов систем ГПА в процессе эксплуатации.

2. Впервые разработана методика непрерывного контроля (мониторинга) состояния узлов ГПА находящихся в работе на основе адекватных математических моделей и корректировки сроков регламентных работ, позволяющая сократить время простоя ГПА для восстановления работоспособности.

Достоверность результатов. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, строго обоснованы математическим аппаратом, теории вероятностей и математической статистики, законами и зависимостями теории надежности, технических измерений и контроля, принципами системного подхода. Отдельные результаты исследований подтверждены практикой эксплуатации газоперекачивающих агрегатов на объектах газотранспортной системы ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург».

Практическая значимость и реализация результатов. Разработанная методика поузлового диагностирования элементов систем ГПА задействована и внедрена в повседневную эксплуатацию газоперекачивающих агрегатов ГПА-4РМ в филиале ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» Псковского ЛПУ МГ на КС «Изборск».

Публикации. Возможность перехода по фактическому состоянию ГПА и улучшение качества эксплуатации газоперекачивающего оборудования отражено в 3 публикациях, в том числе 2 в изданиях рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на ежегодных отраслевых научно-технических конференциях ООО «Газпром-трансгаз Санкт-Петербург».

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (120 наименований); изложена на 123 страницах машинописного текста и содержит 35 рисунков и 6 таблиц.

Глава 1. Анализ особенностей рабочего процесса ГПА и обоснование необходимости перехода к эксплуатации по фактическому состоянию

1.1. Проблема обеспечения надежности, безопасности эксплуатации энерготехнологического оборудования газотранспортной системы «Газпром

трансгаз Санкт-Петербург»

В газотранспортной системе (ГТС) «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» эксплуатируется 25 компрессорных цехов с 163 газоперекачивающими агрегатами суммарной мощностью около 1100 МВт.

Основным видом газотранспортного оборудования являются газотурбинные газоперекачивающие агрегаты (ГГПА), на долю которого приходится до 85 % всех газоперекачивающих агрегатов отрасли; электроприводные ГПА составляют порядка 15 %, поршневые ГПА - 1%. Парк ГГПА насчитывает более 20 типов агрегатов единичной мощностью от 2,5 до 25 МВт, с номинальным значением эффективного КПД от 23 % до 30 %, значительная доля газотурбинного парка морально и физически устарела: 7,7 % агрегатов имеют наработку более 100 тыс. ч., 45 % - примерно 50 - 100 тыс. ч. при назначенном ресурсе 100 тыс.ч.

В последнее время на предприятия ГТС поступают газотурбинные газоперекачивающие агрегаты на основе газотурбинных двигателей четвёртого

поколения ГТД-4РМ. Эти двигатели отличаются от предыдущих ГТД повышенной экономичностью и высокими показателями надёжности (табл.1).

Обеспечение надежности работы ГПА является одним из приоритетных направлений деятельности ОАО «Газпром». Считается, что именно их надежность оказывает решающее влияние на надежность работы всей ГТС [20].

Надежность ГПА определяется как свойство безотказно работать в заданных условиях эксплуатации в течение оговоренного срока. При этом мощ-ностные и экономические показатели, потребность в ремонте должны находиться в заданных пределах [74,75].

Таблица 1

Основные характеристики газотурбинных двигателей ГПА

Тип ГПА ГПА-16 «Нева» ГПА-16 «Урал» ГПА-4РМ ГПА-16 «Волга»

Тип ГТУ АЛ-31СТН ПС-90-2 гтд- 4РМ НК-38СТ

№ п/п Номинальные параметры Ед.изме�