автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Газодинамическая нестационарность процессов в центробежных компрессорах, помпаж и способы его обнаружения

ОГЛАВЛЕНИЕ.v.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Газодинамическая нестационарность процессов в центробежных компрессорах

1.2. Аналитические модели автоколебаний.!.

1.3. Диагностика и способы защиты от помпажа.

Выводы и задачи исследования.

ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Измеряемые параметры. Первичные измерительные преобразователи. Оценка точности измерений.

2.3. Автоматизация процесса измерения.

ГЛАВА IJI. МЕТОДИКА СБОРА И ОБРАБОТКИ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

3.1. Характеристика эксперимента.

3.2. Сбор данных.л.•v.wmxw. о т-т i » ■

J.3. подготовка данных.:.

3.4. Признаки помпажа.

ГЛАВА IV. ОЦЕНКА ПРИЗНАКА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОМПАЖА ПО ДИСПЕРСИИ.

4.1. Характеристика экспериментов.

4.2. Результаты испытаний.

4.3. Алгоритм опознания помпажа на основе дисперсии.

4.4. Особенности практической реализации на современных микропроцессорных контроллерах.

ГЛАВА V. ОЦЕНКА ПРИЗНАКА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОМПАЖА ПО АМПЛИТУДЕ ПУЛЬСАЦИЙ.

5.1. Особенности построения системы управления.

5.2. Синтез цифровых фильтров.

5.3. Синтез цифрового фильтра импульсного ПИ-регулятора.

5.4. Требования к входному цифровому фильтру сигнализатора помпажа.

5.5. Синтез цифрового фильтра сигнализатора помпажа.

5.6. Результаты помпажных тестов сменных проточных частей (СПЧ) СПЧ-16/76 на ДКС компрессорной станции "Ямбурггаздобыча".

5.7. Создание и внедрение устройств обнаружения помпажа.

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, вращающегося срыва и помпажа.

2. Выполнить статистические расчеты параметров стохастического процесса с целью выявления их относительных уровней.

3. Установить признаки, обеспечивающие надежность определения возникновения помпажа.

4. На современной базе программируемых контроллеров разработать схемы и программное обеспечение систем автоматического предупреждения помпажа.

5. 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. 6

Апробация предлагаемого подхода на предприятии "Уфаоргоинтез" показывает 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.

9. Результаты работы использованы при создании компрессоров общего назначения 32ВЦ-100/9 и 43ВЦ-160/9,выпускаемых с 1985 года, Аэроком-250/9,4 для Рязанского НПЗ. ЗГЦ2-38/9,5-28 для Тюменской ТЭЦ, Н133-21-01 для АО "Уфаоргсинтез".

1. Абрамович Т.Н. Прикладная газовая динамика. М.,-Наука,-1969.

2. Антонов А.Н. и др. Пульсации давления в струйных и отрывных течени-ях.-М., Машиностроение, 1990-272С.

3. А.с.335444 СССР, МКИ Б04 В 27/02. Противопомпажное устройство./Антонов О.Г., Долинский Д.В. и др.-Опубл.БИ, 1972, №13.

4. А.с.515891 СССР, МКИ Р04 В 27/02. Противопомпажное устройство компрессора./Стогов М.В., Тихтилов А.И.-Опубл.БИ, 1976, №20.

5. А.с.522344 СССР, МКИ Р04 В 27/02 Сигнализатор помпажа./Строков М.И.,-Опубл.БИ, 1976, №27.

6. А.с.510587 СССР, МКИ Б04 В 27/02. Способ обнаружения помпажа компрессора./Розенберг Г.Ш., Мадорский Е.З. и др.-Опубл.БИ, 1976, №14.

7. А.с.504884 СССР, МКИ Р04 В 27/02. Способ защиты компрессора от помпажа./Фрумкин В.Б., Мед Г.Д. и др.-Опубл.БИ, 1976, №8.

8. А.с.590488 СССР, МКИ Б04 О 27/02. Способ противопомпажной защиты много секционного центробежного компрессора./Альтшуллер М.Б., Богачев М.П. и др.-Опубл.БИ, 1978, №4.

9. А.с.623995 СССР, МКИ Р04 В 27/02. Способ антипомпажной защиты компрессора./Семенов Ю.А., Федосова С.И.-Опубл.БИ, 1978, №34:

10. А.с.667691 СССР, МКИ Р04 В 27/02. Способ регулирования центробежного компрессора./Зыков В.И., Камаев Ю.И., Довженко В.Н.-заявл. 5.01.78; опубл. 15.06.79.

11. А.с.700687 СССР, МКИ Р04 В 27/02. Способ защиты турбокомпрессора от помпажа./Семенов Ю.А., Федосова С.И.-Опубл.БИ, 1979, №44.

12. А.с.756082 СССР, МКИ ¥04 Б 27/02. Противопомпажное устройствокомпрессора./ Семенов Ю.А., Федосова С.И.-Опубл.БИ, 1980, №30.

13. А.с.773314 СССР, МКИ F04 D 27/02. Способ обнаружения предпомпажного режима центробежного компрессора./Акулыпин Ю.Д., Измайлов P.A., Селезнев К.П., Чернов В.И.-заявлено 3.04.79, опубл. 26.10.80.

14. А.с.914815 СССР, МКИ F04 D 27/02. Способ регулированя производительности и напора ступени центробежного компрессора./ Зыков В.И., Рамос Н.М., Селезнев К.П.-Опубл.БИ, 1982, №11.

15. А.с.1132065 СССР, МКИ F04 D 27/02. Устройство для регулирования производительности компрессора./Федосова С.И., Терюшов И.Н., Куликов Ю.А., Гузельбаев Я.З.-Опубл.БИ, 1984, №48.

16. А.с.1312253 СССР, МКИ F04 D 27/02. Устройство для защиты от помпажа компрессора./Богачев М.П., Горяченко В.Ф., Тельнов К.А., Сергеев Б.М.-Опубл.БИ, 1987, №19.

17. Баллок P.O., Фингер X. Помпаж в центробежных и осевых компрессо-рах.//Ракетная техника. 1953. № 4. С. 35-43.

18. Боднер В.А., Казакевич В.В. Устойчивость и автоколебания акустических систем, содержащих компрессор.-В кн.:Автоматическое рег.и выч.техн., М. Машгиз. 1960. Вып.З.-С. 445-490.

19. Боднер В.А. Автоколебания в системе, содержащей компрессор. // Инженерный сборник.-М. Изд. АН СССР, 1950. Т.-6. С. 177-184.

20. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств. М., Машиностроение. 1976.-С. 311.

21. Бендат Д.Ж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа.-М., Мир. 1983.-С. 312.

22. Борисенко А.И. Газовая динамика двигателей-М.,Оборонгиз,1962.- С.793.

23. Бутенин Н.В. и др. Введение в теорию нелинейных колебаний.-М., Наука, 1976.-С. 384.

24. Бутенин Н.В. К теории резонанса. Изд.АН СССР. 1950,Т.ПУ, Вып. 1.- С. 45-56.

25. Бошняк JI.JI. Измерения при теплотехнических исследованиях.-Л., Машиностроение. 1974.-С. 445.

26. Веселовский В.И. Помпаж в центробежном компрессоре.//В кн. Центробежные компрессорные машины.-М., Машгиз, 1966.-С. 45-60.

27. Веселовский В.И. Некоторые вопросы теории помпажа в одноступенчатом компрессоре.//Труды ЛВИКА им.Можайского ,1958, Вып. 204,-С. 324.

28. Водяник Г.М., Быстрое Г.А. Динамика турбокомпрессора как объекта управления.//Известия ВУЗов, Электромеханика ,1972, № 3,-С. 312-316.

29. Вибрации в технике. Справочник, Т. 1,-М., Машиностроение, 1999.-С.504.

30. Гузельбаев Я.З., Багаутдинов Ш.М., Румянцев А.П. Применение отечественных микропроцессорных средств в системах управления компрессорами.//Девятая междун. научно-техн. конф. по компрессоростроению: Тез.докл.,-Казань, 1993.-с. 135.

31. Гузельбаев Я.З., Исмагилов P.P. Сигнализатор помпажа.// Проектирование и исследование компрессорных машин: Сб.научных трудов под ред.докт.техн.наук В.Б.Шнеппа, вып.З/ АО НИИТурбокомпрессор.-Казань, 1997.-С.48-49.

32. Гузельбаев Я.З., Хавкин А.Л. Специальный комплекс для исследования помпажа. // Там же.С.49-53.

33. Андрианов A.B., Гузельбаев Я.З., Ильин Б.А., Шайхутдинов А.З. Проработка бессмазочных электроприводных ГПА с электромагнитными подшипниками и газодинамическими уплотнениями//Там же.-с. 106-110.

34. Андрианов A.B., Шитиков А.Б., Братишко B.C., Гузельбаев Я.З., Ильин Б.А., Шайхутдинов А.З. Разгрузка подшипников качения блоками постоянных магнитов//Там же.-с. 130-133.

35. Гузельбаев Я.З., Багаутдинов Ш.М., Румянцев А.П., Хавкин А.Л. Концепция построения систем автоматизации компрессоров.// Одиннадцатая межд. научно-техн.конф. по компр.техн. (Казань, 1998): Тез.докл.,-С.Петербург, 1998.-c.256.

36. Гузельбаев Я.З., Румянцев А.П., Хавкин А.Л. Результаты помпажных испытаний компрессоров Н133-21-01//Там же.-с.257.

37. Гузельбаев Я.З., Андрианов A.B., Сидоров В.П., Страхов Г.П. Конструкция электромагнитных подшипников системы магнитного подвеса ротора нагнетателей для газоперекачивающих агрегатов ГПА-16 "Волга", ГПА-12 "Урал'7/Там же.-с.251-257.

38. Андрианов A.B., Гузельбаев Я.З., Сусликов Э.В. К вопросу выбора алгоритма управления регулятора системы магнитного подвеса упругого многомассового ротора//Там же.-с.276-285.

39. Дейч М.Е., Самойлович Г. С. Основы аэродинамики осевых турбомашин.-М., Машгиз Д959.-с.428.

40. Ж Дюссо Ж.Д. и др. Экспериментальное исследование помпажа в радиальных компрессорах с помощью близко расположенных сопротивлений. // Труды американского общества инженеров-механиков. Теоретические основы инженерных расчетов. 1977, № 1,-С. 159-168.

41. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М., Энергия, 1974.-С.592.

42. Ден Г.Н. и др. К анализу причин возникновения помпажа в системе с центробежным компрессором./ТМежвуз. сб. научи, трудов.-JI.: ЛПИ, 1981.-С. 77-84.

43. Ден Т.Н., Кустиков Г.Г. Определение напорной характеристики компрессора, в области малых коэффициентов расхода.//Энерго-машиностроение. 1989.-№ 1.-С.11-13.

44. Ефимов В.Н. Неустойчивость потока в компрессорах.//ИВУЗ. "Авиационная техника". № 1, 1960.-С.111-120.

45. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Прикладные методы в теории колебаний.-М., Наука, 1988.-С.325.

46. Измерения в промышленности. Справочник в 3-х томах.-М., Металлургия, 1990.

47. Ислантьев С.А. и др. Пристеночные пульсации давления при турбулентном течении газа, в каналах.//Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1992.-С.96.

48. Карабин А.И. Сжатый воздух.-М.: Машиностроение. 1964.-С.347.

49. Казакевич В.В. К теории помпажа.//Труды ЦИАМ. 1954.№ 249.-С.40.

50. Казакевич B.B. Автоколебания (помпаж) в компрессорах.-М., Машиностроение, 1959.-С. 192.

51. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М., Изд. Наука., 1971.-С.576.

52. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика,-М., Наука, 1986.-С.736.

53. Марчевский В.П. и др. Автоматическое определение границ помпажа.// Газовая промышленность, 1975, № 4.-С. 14-16.

54. Макс Ж. Методы и техника, обработки сигналов при физических измерения. Т. 1 и 2.-М., Мир, 1989.

55. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Часть 1,-М., Машиностроение, 1977.-С. 375.

56. Нелинейные волны. Сборник научных трудов.- М., Наука, 1989.-С. 398.

57. Пат.2365930 ФРГ, МКИ F04 D 27/02. Способ и устройство для предотвращения помпажа компрессора.- заявл.29.09.73; опубл. 17.03.77.

58. Пат.58-10597 Япония, МКИ F04 D 27/02. Предотвращение помпажа при останове компрессора.-50-87368; заявл. 18.05.75; опубл.26.02.83.

59. Пат.4.142.838 США, МКИ F04 В 49/00. Method and apparatus for preventing surge in a dynamic compressor.-№856.302; заявл. 1.12.77; опубл. 6.03.79.

60. Пат.4363596 США, МКИ F04 D 2/12. Определение и устранение помпажа в центробежном компрессоре.-150844; заявл. 19.05.80; опубл. 14.12.82.

61. Пат. 1052723 РФ, МКИ F04 D 27/00. Система регулирования давления группы компрессоров./Федосова С.И., Румянцев А.П., Гузельбаев Я.З., 1981.

62. Пат. 1125410 РФ, МКИ F04 D 27/02. Противопомпажное устройство компрессора./Федосова С.И., Крылова H.A., Гузельбаев Я.З., 1983.

63. Пат. 1211466 РФ, МКИ F04 D 27/00. Устройство для регулирования производительности компрессора./Федосова С.И., Гузельбаев Я.З.,Исмагилов P.P., 1984.

64. Пат.4.861.233 США, МКИ F04 В 27/02. Compressor surge control system.-192.807; заявл. 11.05.88; опубл. 29.08.89. • '

65. Пат. 1802855 РФ, МКИ F04 D 27/02. Способ защиты от помпажа компрессора./Гузельбаев Я.З., Исмагилов P.P., Федосова С.И., Петросян Г.Г., Сафиуллин А.Г., 1990.

66. Пат.4.976.588 США, МКИ F04 В 49/00. Система регулирования и противопомпажной защиты компрессора.-531035; заявл. 31.05.90; опубл. 11.12.90.

67. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока.-М., Машиностроение Д976.-С. 332.

68. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины.-JI., Машиностроение, 1981.-С.-352.

69. Роне К.Г. К поведению турбокомпрессоров и турбокомпрессорных установок во время помпажа компрессора.//Труды института тепловых лопастных машин Штутгартского университета, 1984.-С. 121.

70. Струминский В.В. Об одном новом направлении исследования проблемы турбулентности.-В кн.: Турбулентные течения.-М.Hay ка.' 1977-С20-24.

71. Селезнев К.П. и др. Теория и расчет турбокомпрессоров.-Л., Машиностроение, 1986.

72. Старосельский Н. В., Черниховский И.Н. Анализ динамических особенностей турбокомпрессоров при помощи электронных моделирующих уст-ройств./ЛГруды ЛПИ, 1966, № 264.-С. 45-63.

73. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений.-., Энергоатом- . издат, 1986. С.-55.

74. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах.-М.,Недра Д975.-С.296.

75. Шерстюк А.Н. Компрессоры. -М.,Госэнергоиздат, 1989.

76. Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных ма-шин.-М, Машиностроение, 1995,-С.276.

77. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры.-М., Машиностроение, 1959.

78. Этингоф М.Н. Исследование помпажа в центробежном компрессоре,// Труды ЦИАМ. 1950. №180.-С.24.

79. Compressor Controls Corp., Система управления и противопомпажного регулирования газоперекачивающих агрегатов и компрессорных станций. Методика проведения помпажных испытаний нагнетателя.//Материалы фирмы. 1999-16с.

80. Е.М. Greitzer. Surge and rotating stall in axial flow compressions, parti: Theoretical compressor model .//Trans. ASME, 1976, ser. A, J. Engine for power, 98,-page 190-198.

81. K.E. Hansen and other. Experimental and theoretical study of surge in a smallcentrifugal compressor.//Trans. ASME 1:J.Fluids Engine.1981, v.l03,-page 391395.

82. P-Meherwan, P.E. Boyce. Rotating stall of*centrifugal compressors.//Parti. Diesel and Gas turbine worldwide, 1988, № 8,-page 46-50.

83. S.W.Sweet. A look at to surge control system.//Instrumentation in the chemical and petroleum industries. 1974, v. 10,-page 39-43.

84. A.H. Stenning. Rotating stall and surge.//Trans. ASME ser. J, 1980, vol. 102 №1,-page 14-20.

85. J.B.Arant. Compressor control problems: case histories.//Instrumentation in the chemical and petroleum industries. 1974 v. 10,-page 45-52.

86. W.Blotenberg. Digital anti-surge controls Their advantages-Their limits.// In-gan. Technologe ,1985 32 №5,-page 43-54.

87. Dussourt and other. An experimental investigation of the control of surge in radial compressor using close coupled resistans.//Trans. ASME, 1977, №1,-page 64-75.

88. H.W.Emmons, C.E. Pearson. Compressor surge and stall propagation.// Trans. ASME, 1955 , v.79,- page 455-469.

89. A.H. Epstem and other. Active suppression of compressor instabilities. // AJAA Soth Acroacousties Conference Seattle ,1986.

90. J.E.Ffowcs Williams, X.Y. Huang. Active stabilization of compressor surge.// J. Fluid Mechanics. 1989, v.204,-page245-262.

91. E M. Greitzer The stability of pumping system.//Trans of the ASME, 1981, V.I, page 193-242.

92. Tayama Kosuke and other. An experimental study of surge in centrifugal compressor. Trans. ASME . 1977, 1, 99 № l.-page 115-124.

93. R. Vadov. Automatic anti-surge control of axial compressor. // Journal of the Institution of Engineers. 1970, v.50, № 11 ,-page 321 -327.