автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Разработка методов параметрического диагностирования газоперекачивающих агрегатов в условиях компрессорных станций (на примере агрегатов ГТК-25И и ГТК-25И)

ІВАНО-ФРАНКІВСЬКІЙ ДЕРІАЗНИЇ ГЕХНІЧНМ У ВНРСИТЕТ КАПИ І ГАЗУ

Р'г5 ОД

На правах рукопису

13БАШ Віктор Іванович

ГОЗРОБКА МЕТОЛІВ ПАРАМЕТРИЧНОГО ДІАГНОСТУВАННЯ ГАЗОПЕРЕКАЧУЮЧИХ АГРЕГАТІВ В УМОВАХ КОМПРЕСОРНИХ СТАНЦІЙ (на прикладі агрегатів ГТК-ІОІ та ГГК-25І)

05.15.13 - Будівництво та експлуатація нафтогазопроводів, баз і сховищ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Івано-Франківськ, І0!?1!

Дисертація є рукопис Робота виконана в Івано-Франківському інституті нафти і газу

Науковий корівник:

кандидат технічних наук, доцент Грудз В.А.

Офіційні опоненти:

1.. Доктор технічних наук Капцов Іван Іванович.

2. Кандидат техьічних наук, доцент Мартинвк Тарас Августинович.

Провідна організація: '

Акціонерне товариство Укргазпром (м. Київ)

Захист відбудеться 07 липня 1994 року о 12 годині .іа засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.02.01 в Івано-Франкії*-зькому державному технічному ііверситеті нафти і газу.

Адреса: 264018, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

З дисертацією іюжна ознайомитися в бібліотеці Івано-Франків-оького державного‘технічного університету нафти і газу за адресо* м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

Автореферат розіслано " Об " червня 1994 року.

Вчений секретар

спеціалізованоі вченої ради

з

. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕГіСТі:.;' ТО ЮТИ

Актуальність проблеми. Однісп з вадливих лантік е..леми газо-іабезпечення Украіни е компресорні станиіі магістральних газопро-юдів. Забезпечення ефективного і надійного функціонування газо-іерекачуючого обладнання компресорних станцій (КС) має суттєве іначення в сфері ритмічного постачання падивно-еі. ргетичними ре-урсами, Сумарна потужність КС системи газозабезпечення Украіни кладае 5433,773 МВт, серед них до 79,7 % потужності припадає на ;олю агрегатів з газот^рбінни. ориводом. Агрегати закордонного иробництва типів ГТК-ІОІ та ГГК-25І складають значну частку пару газоперекачуючих апаратів (ПІА) Украіни (25,1 і).

Надійність експлуатації багато в чому залежить від доскона-ості системи обслуговування, яка, в своп чергу, залежить як від истеми проведення планово-попереджувальних ремонтів і рівня ква-іфікації обслуговуючого персоналу, так і від системи контролю оботоздатності обладнання, що .изначається технічним рівнем сис-ем діагностування технічного стану агрегатів, призначених для ього. . .

Основне завдання експлуатації газоперекачувчого обладнання олягае в попередженні відказів і підтримці технічного стану на зданому рівні шляхом постійного контролю технічного стану облад-ання і своєчасного проведення планово-попереджувальних ремонтів.

Найбільш прогресивною формою експлуатації обладнання магіст-ільких газопроводів (МГ) с обслуговування по реальному технічнс-у стану. Перейти до такої форми експлуатації можливо за умов анікого розвитку і застосування на практиці комплексних систем ді-гностування та прогнозування технічного стану з-використанням іеціальних вимірювальних засобів та ЕОН.

Мета роботи. Дослідження та розробка методів діагностування 'регатів типів ГТК-ІОІ та ГІК-25І для рішення комплексу завдань ) ідентифікації несправностей, прогнозування стану ГПА на основі іалізу характеру змін непрямих термогазодинамічних параметрів і ссплуатаційних характеристик обладнання з використанням матема-ічних моделей діагностування технічного стану ГЧА.

Основні задачі. Кожному термодинамічному стану двигуна відпим -іб конкретна його спроможність вир бляти відповідну потужність ія даної витрати палива. Для встаношіенн- зв"язку між термгта;:)--інамічним станом двигуна і його механічним станом з метою і"їу-

доби розгорнутої системи діагностування і прогнозування несправностей необхідно розв"язати ряд задач:

побудувати характеристики елементів ГПА для всього поля зміні: робочих параметрів;

дослідити основні несправності газоповітряного трак.у ГПА і визначити діагностичні параметри, що іх характеризують;

розробити методи діагностування основних несправностей газоповітряного тракту за допомогою математичних моделей;

розробити методи прогнозування технічного стану ГПА для планування п1 філактичного обслуговування.

На захист виноситься:

• системний підхід до діагностування газоперекачую їх агрегатів типів ГТК-ІОІ та ГГК-25І; •

математична модель діагностування основних несправностей газоповітряних трактів агрегатів;

математичні моделі розрахунку характеристик основних елементі" агрегату та методи іх ідентифікації;

способи приведення робочих параметрів агрегатів при зміні навантаження та зовнішніх умов.

Наукова новизна. Для газоперекачувчих агрегатів типів ГТК—ІОІ та ГТК—251 г'зроблено комплекс алгоритмів і програмне забезпечення для вирішення основних' завдань технічного діагностування; одержано інженерні методи розрахунків, за допомого«) яких побудовано характеристики основних елементів даних типів ГПА’, методи приведення робочих параметрів при зміні навантаження та зовнішніх умов роботи ГПА; розроблено дворівневу систему діагностування даних типів агрегатів за допомогоп діагностичних матриць; запропоновано методику формування діагностичних матриць та ідентифікаціі несправностей ГПА по зміні характерних діагности' их ознак та методи прогнозування стану ГПА для планування профілактичного обе уговування.

Практична значимість. За допомогов розробленого комплексу алгоритмів і програм математичних моде’лей елементів ГПА побудовано їхні характеристики та універсальні характеристик..' ГПА для визна-чеіг робочих параметрів циклу агрегату на різних режимах його роботи. Запропоновано методику діагностування ГПА даних типів за до-помогоп діагностичних матриць та ідентифікації несправностей агрегатів по зміні характерних діагностичних ознак. Сформульовано основні принципи прогнозуваннг технічного стану ГПА для проведення профілактичних обслуговувань.

Методики-! рекомендації, вироблені б результаті досліджень, дозволявть розяирити можливості опаратіїЕно-дпспетчерс ••>го контролю технічного стану агрегатів, . ¿оротити терміни та тру юмісткість профілактичних і ремонтних робіт; запобігти аварійним зупинкам обладнання, підвищити ефективність та надійність його використання.

Дана робота пов"язана з дослідженнями, во приводилися в Івано-Франківському інституті нафти і газу в рамках госпдоговірних тем № 5/84-4 та № 5/В5-4 і е іхнім продовженням. Розроблені рекомендації використовувались для рішення завдань оперативно-диспотчерсько-го керування на КС ИГ "Совз" та'"УренгоЯ-Ухгород". Основні положения та висновки роботи підтверджуються адекватніств побудованих математичних моделей та результатів іх числовоі реалізацій фактичним параметрам режиму роботи .ІС Гусятинська і КС Орська газопроводів "Совз" та "Уренгой-Уігород".

Апробація роботи. РсновниЯ зміст робота доповідався на всесоюзній науково-технічній конференції "Проблеми науково-технічного прогресу в трубопроводному транспорті газу Західного Сибіру"; II-гій конференції професорсько-викладацького складу Івано-Франківського інституту нафти і газу; науковому семінарі управління магіст-■ ральних газопроводів "Чэркаситрапсгаз" АО "Укргазпром"; науковому земінарі кафедри транспорту і- зберігання нафти і газу ІФІНГу.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи висвітло-іо в б друкованих працях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складеться з чотирьох розділів, вклвчас програми розрахунків, складені за розробленими іхгоритмами, викладена на сторінках каоинописного тексту та «істить 55 рисунків. 48 таблиць. Список літератури складеться з [98 найменувань.

ОСНОВНІЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі зроблено огляд літератури з питань, які вивчапться і дисертації, намічоні основні напрямки дослідження. Загальнотеоре-'ичні та різні аспекти прикладних питань технічного діагностування юзглядавться в працях Биргера I.A., Верзакова Г.Ф., Гаскарова Д.З., 'лезора Б.І., Дубкнсъг.ого В.Г., Ке^.і І.В., Коллакота P.A., Кучерои-а О.С., Магвіева A.B., Мозгалівського А ., Одьховського Г.Г., Пар-оменка П.П., Пораакова Б.П., Розенберга Г.П., Сіїротіна М.М.. Спо-

р.ігіноі ¡1,14., Таранна M.C., Твріиа В.A., Щуровського E.M.. Яковлева £.1. та інших авторів.

В першому розділі дисертації виріиувться питання особливостей об"єіста ГПА і підхід до завдань діагностування. На даний час на КС магістральних газопроводів, які експлуатують імпортні ГПА типів ГТК-ІОІ та ГТК-25І, на низькому рівні використовується діагностування технічного стану газоповітряного тракту агрегатів, широке впровадження якого могло б дати важливі розультати у в1 значенні експлуатаційноі ефективності використання ГПА, у виявленні та попер ідонні вадких механічних пошкоджень обладнання, а також для попереднього прогнозування виникнення несправностей, а це, в свою чергу, обумовить економів паливного газу та змені ння витрат на ремонт агрегатів.

Заводи-виробники ГПА наділили експлуатаційний персонал недо-статньов інформацією відносно робочих характеристик елементів ГГіА-В разі погірзешія технічного стану агрегату в процесі експлуатації ця інформація не даз змоги експлуатаційному персоналу визнач:ти причину погігезення стану ГПА. Інаими словами, експлуатаційному net соналу КС і в центральному еідді*і експлуатації необхідно мати рої горнуту систему діагностування і прогнозування технічного стану оС; ладнання в по'і змінних параметрів'його роботи, достовірну в інто; валі основних режимів роботи ГПА, яка 6 могла ідентифікувати специфічні несправності двигунів і визначати їх експлуатаційну ефективність, на основі якої можна було б розробити стратегію обслуговування ГПА. •

В загальному вигляді структуру діагностування технічного стану ГПА можна уявити наступним чином:

розробка класифікації технічних станів обладнання; обгрунтування вибраних ’ итеріів технічного стану та іх оцінка;

вибір способу математичного опису ГПА, як об"скта діагностування ; *

■ обгрунтування методу діагностування або спосооу виявлення не-спра’ остзЯ.

Розробці класифікаціі технічних станів обладнання присвячені наукові праці Заріцького С.П., Грудза В.Я. Незалежно від стадії життєвого циклу ГПА множину його станів можна розділити і.а підмнз-и.іни, які характеризувть спра чий, роботоздатчий та несправний етапи ГПА.

Гозпі ?н,ін;!я технічних станів процессі діагностування, прогн..-

зування іх зміни в межах підмножин і часу переходу з одиіоі підмно-*ини до інвоі можливе, якцо відома функція Ф(Х), в за льному випадку векторна, компанаитії-аргументи X якої складають сукупність визначапчих паракетрів ГПа, його вузлів, елементів та систем.

Технічний стан ГПА .визначається якісно різнорідними характеристиками, ио обумовлено різною фізичноо природог процесів, які іротікасть в елементах при функціонуванні агрегату; функція Ф(Х) із е однорідної) і може бути представленої) у вигляді набору взасмо-іовпязанях ніж собоп компонон- 'в , ео відображав» різнобічні характеристики станів агрегату. При цьому компоненти Й можуть гакож бути представлені у вигляді самостійних складових, які ви-зажапть видові розбіжності між механічними станами агрегату. Компо-ієнти функції Ф(Х), а також іі складові, які визначавть класи :танів, виражаться різними сукупностями аргументів із загального іабору, який характаризус X. Функція стану Ф(Х). яка описус прос-гір станів, повинна бути непере_ знов і диференційованою, допускав-юп розклад*компоненті в в ряд Тейлора по всій сукупності аргументів.

Вибір функціі Ф(Х), а також іі компонентів і складових, вн-іііачасться особливостями ГПА, як функціонувчоі одиниці, кінцевоз гаожинов станів агрегату, які підлягав» розпізнаваннв. та рівнем :онтролепридатноеті ГПА. В зв’язку з тим, 50 стан ГПА змінгсть-я в часі, функція стану залазить від часу, тобто с складное. Нк-іо діагностична иодедь вківчас опие початкового стану. ПТА ФІ(Хи).

о вона буде розповсюджуватися тільки на конкретний ГПА. Такі ио-елі в подальоому будуть називатися індивідуальними. Моделі, які ередбачавть єдиний опис початкового стану ГПА в.межах аргументів дного типу, будуть називатися узагальненими. Згідно з визначенням идивідуальні моделі потребувть проведення спеціальних дослідів ожного ГПА по зняттв його базових характеристик, що визначають очатковий стан агрегату. Узагальнені моделі базуються на викорис-анні. середньостатистичних базових характеристик, які визначавть а даними досліджень обмеженої кількості однотипних ГПА.

Вид моделі можна уніфікувати в обсязі однотипних ГПА, якщо уккціп технічного стану виразити через приріст іі аргументів відомо іх початкових значень. Під пг^атісовими значеннями при цьогту їсть на увазі значення, які відпояідчеть початковому стан/ ков-эго конкретного ПІД. Практично, вони новітні бути визначені прі: »пробуваннях ГПА в експлуатаційних умовах під час ■»нлття і йа^з-

е

вих характеристик. Такий підхід буде доцільним також у зв"язку з тим, цо при цьому виключаються вплив на відхилення діагностичних ознак систематичної складової похибки вимірів і тим самим підви-щузться якість діагностування. Універсальні моделі можуть бути також як індивідуальними, так і узагальненими, але очевидно, що перевагу будуть мати індивідуальні моделі, оскільки в процесі зняття базових характеристик немяс потреби проводити спеціальні випробування ГПА, а базові характеристики можна одержати за даними початкового періоду експлуатації. В роботі віддано перевагу розро? уніфікоі-іних індивідуальних моделей для діагностування технічного стану ГПА.

Надзвичайно важливо вибрати таку сукупність контрольованих параметрів роботи ГПА, яка найбільш суттєво реагус на можливі зміни фізичних і хімічних процесів при переході ГПА від одного стану до іншого в межах підпростору станів. При цьому вибрана сукупністі, повинна забезпечити максимальну різницю між відхиленням сформованих на іі основі діагностичних ознак, які.відповідають переходу від справна -о стану до несправного.

Основну увагу в дисертаціі приділено розробці питань пошуку функції стану агрегатів, вибору необхідної сукупності контрольованих параметрів та діагностичних ознак, побудові діагностичних мод; • лей для ГПА типів ГГК-ІОІ та ГТК-25І.

В роботі зроблено аналіз основних несправностей ГПА та параметрів, що відображають іхнв появу та розвиток. Раптовий відказ пов"язаний з миттєвою зміною умов експлуатації, що призводить до пошкодження ГПА. Випадковість тут Пов’язана з суб"ективним характером очікування диспетчерського персоналу, а не з характером фізико-математичних процесів, які проходять в технічній системі. Поява відказів, як правило, пов"яь-на з проявом первинної несправності конструктивного г'' а експлуатаційного характеру та постійним накопиченням пошкоджень, що погірпують робртоздатність агрегату, або поступовим накопиченням змін, які спричиняють в якиГ.гь момент релаксацію, до сприймається технічним персоналом як раптовий відказ.

Об'єктивними причинами появи несправностей можуть бути:

• конструкторські, які викликані невдалими конструкторськими рішеннями;

технологічні, які обумовлені рівнем конкретного виробництва ’ехнологічністю конструкціі;

пов"язані з якістю і стабільністю властивостей застосоьаних

матеріалів; .

експлуатаційні, пов"язані з кондиційністю рабоч: середович

ГПА: циклового повітря, паливно.о газу, технологічного газу, мастил; •

які характеризують якість і своєчасність проведення ремонтних робіт.

Поруч з об'єктивними причинами мають місце і причини суб'єктивного характеру, обумовлені порушенням умов експлуатації ГПА.

Всі несправності, які зи”икавть в ГПА на протязі його циклу зксплуатаціі, можна розділити на. несправності, які впливають на ' надійність ГПА, та несправності, які впливають на ефективність !ого функціонування, далі в роботі зроблено аналіз характерних іесправностей, які впливають на надійність кожного з основних елементів ГПА,та причин іх виникнення, а також несправностей, які зпливають на ефективність функціонування агрегату та критеріїв, по характеризують ці несправності.

В зв"яеку з обмеженими можливостями вимірювальних засобів, ¡кладніств установки первинних перетворювачів, недостатнім облад-іанням ГПА даних-типів вимірювальними засобами в дисертаціі основ-іа увага приділяється розробці методів визначення стану агрегату іа допомогою побічних ознак, за які прийнято термогазодинамічні іараметри, що є кількісними характеристиками робочих процесів,, кі протікають в елементах агрегату в період його функціонування.

В роботі зроблено короткий порівняльний аналіз методів визна-ення діагностичних параметрів. Для енерггсмких ГПА, якими с ГТК-ОІ та ГТК-25І, найбільш придатними методами для визначення діаг-остичних параметрів с методи математичного моделювання. В зв"яз-у з цим в роботі розглядаються різні підходи до розробки матема-ичних моделей ГПА, які за трудомісткістю відрізняються в десятки азів. Для математичного опису робочих процесів в елементах ГПА даній роботі використовуються моделі третього рівня складності, яких застосовуються складні взаємозв'язки геометричних парамет-ів елементів агрегатів з параметрами термогазодинамічного циклу, ри цьому розрахунок течіі газу в профільованих частинах агрега-у проводиться на середньому радіусі, тобто не враховується кри-іна лінії току.

Для діагностичних моделей агрегату в даній роботі застссоза-> модепі другого ріпня складності, де ві..,ідні рівняння лпімризу-^ютьсч у відлозііності з методом малих відхилень, розроол" '.Ч п

працях Черкеза А.Я. В дисертації розроблено структурну схему параметричної моделі ГПА. .

Другий розділ присвячено розробці математичних моделей елементів ГПА і побудові іх характеристик та універсальних характерне тик агрегату. На попередньому етапі побудови матекатнчш.х моделей було визначено всі геометричні розміри елементів ГПА і побудовано скелетну схему агрегату, оцінено всі фактори, які впливають на витратні та енергетичні характеристики елементів ГПА: гідрав.'1чні втрати, зміну витрат повітря на охолодження елементів турбін та перетік, шня в ущільненнях при зміни режиму, оцінку ККД камери згоряння та витрати потужності на привід допоміжних механізмів.

Робота системи антиайсінгу вносить суттєві зміни в роботу ГПА. При роботі системи змінюються витратні характеристики потоків елементах газотурбінної установки (ГТУ), тиски та температури робочого тіла, тому при побудові математичних моделей розрахунку характеристик ГПА необхідно враховувати ці зміни. Системи антиайсінгу даних типів ГПА суттєво відрізняються між собою. В ро'оті проведено Розрахунки характеристик систем та визначено іхній впл.< на зміну робочих параметрів і ’-•'тратних характеристик основних елементів даних типів ГПА. ,

Важливгч параметром, який впливає на подальші характеристики циклу агрегату, е склад паливного газу. В роботі приведено методику розрахунку теоретичної кількості повітря, необхідної для спалювання І кг газу, густини, теплоємності та нижньоі теплоти згоряннл від його складу, а також методи розрахунку коефіцієнта надлишку по вітря, масових вйтр&т та теплоємності робочого тіла турбін в залел ності від складу вихлопних газів. •

Найдосконаліші методи розрахунку реальноі течіі повітря в осьовому компресорі не змож ь врахувати в"язкістних ефектів, нестійкості потоку до будь-яких збурень, т ,у всі методи моделювання характеристик компресорів будуть мати перну умовність математичної моделі. Методи моделювання грунтуються на результатах теорії поліс ностей. Стосовно течіі повітря в компресорах, ці результати поля-гаїс в рівності критеріїв Маха і Струхая або іх похідних

6>/Тл ‘ _ пк

^ ПР

де Сцї” приведені витрати потоку повітря на вході в. осьовий коми; "‘■>Р СОК); пРивэдена частота обертання ротора 0А\ б , Тл

витрати, температура і тиск потоку повітря на вході в ОК; частота обертання ротора ОК. '

Для побудови математичної моделі осьового компресора використана методика побудови його характзристик, яка>грунтується на положеннях гідродинамічної теоріі та дослідженнях аеродинамічних характеристик плоских решіток, якім присвячені праці Ьекнесва З.С., Буй-новського Л.Н., Гофліна А.П., Довжйка С.А., Маслова Л.А., Митрофанова А.А., Мофетта Д., Нечаева Ю.Н., Сблеэньова К.П., Сироткіна Я.А., Солохіноі Е.В., Степанова Г.Ю.,.Тереденка И.М., Тихонова Н.Д., Хау-торна У.Р., Холщевникова К.В., Хорлокка Д.К., Янсені А. та інших. Алгоритм розрахунку характеристик осьового компресора у зигляді

^ =Іч'¿С.ад =£г(6™, Пит),

де "к - степінь стиснення ОК по повним параметрам; Ь* - адіабатичний ВД ОК, Ск.аЗ

базується на узагальнених характеристиках ступеней, одержаних при розрахунковому розподілі параметрів потоку по радіусу на вході в отупінь. При узагальненні експериментальних даних середня по радіусу характеристика ступені приписується елементарній ступені на середньому радіусі.

Поступеневий розрахунок характеристик ступені при даній круговій швидкості складається з двох етапів:

1) розрахунок оптимальних параметрів ступені за конструктивними параметрами репіток на середньому радіусі лопаточних вінців та розмірами проточноі частини;

2) розрахунок параметрів ступені при поточному значзнні витратного коефіцієнта за одержаними оптимальними параметрами і узагальненими характеристиками ступеней.

Попередні дані для розрахунку характеристик ОК формуються в такій послідовності:

конструктивні параметри лопаток;

параметри повітряного потоку на вході в кокпресор;

режимні параметри роботи компресора;

поправочні коефіцієнти.

Алгоритм розрахунку характери :ик ОК реалізотнлй у вигляді програми для ЕОМ на мові Фортран. По результатах розрахунку побудовано універсальні характеристики для ОК ГТК-ІОІ та ГТК-?5І у вигляді

Пк (бот, пЇТ); (бПР, пи),

'“К

а такой графіки залежностей

•Нек=^-3(бтіі, ТідЛ; =^-2(6іії, Пш,')5

та

)*■

<-К1_____________________. *

)* ^4 ^00; Нек),

ск тли I* =15°С

"00

■г я-

де потужність ОК; І;оо - температура атмосферного повітря.

Камери згоряння агрегатів ГТК-ІОІ та ГТК~25І за характером ' поділу потоків відносяться де камер зі зворотнім поворотом потоку за конструктивним виготовленням - до секційних камер, за конструг цієо паливного устаткування - до дифузійних.

Для подлоги математичноі моделі камери згоряння використані праці Кузнецова Л.А., Пчелкіна ^.М., Шатіля А.А.

На першому етапі зроблено попередні розрахунки витрат повітряна охолодження соплового апарату турбін високого тиску, елементів ротора, ущільнення підшипникових вузлів і визначені витрати повії яке бере участі, в процесі горіння та змішування. Зроблено поперед; розрахунки коефіцієнта корисноі дії, коефіцієнта втрат повного т:г ку в камері згоряння.

На досліджуваних двигунах вимір витрат палчвного газу постій: не проводиться, тому для аналізу всього спектру робочих режимів ГГ:. в роботі було побудовано алгоритм і зроблено розрахунки витратних характеристик пальників в залежності від т оку повітря за ОК і тис; паливного газу.

Розроблено алгоритм розрахунку характеристик камери згоряння, за допомогою якого зроблено розрахунки для досліджуваних двигунів на основних режимах іх роботи.

■юбудову математичноі моделі середньоструменевого розрахунку характеристик турбіни в роботі розпочато з аналізу характеру течіі робочого тіла в елементах турбіни. Встановлено, що в усьому робоч-му діапазоні параметрів на вхгді в турбіну швидкість на виході із плового апарату турбіни високого тиску буде надзвуковов, тобто ия обставина повинна бути враховат при складанні математичної ке;..

лі турбіни.

В роботі зроблено аналіз втрат енергії в елементах турбіни та вибір швидкісних коефіцієнтів для соплових апаратів і робочих лопаток. Оскільки в турбінах низького тиску даних дзигунів застосовуються поворотні соплові апарати, за допомогою яких реалізується закон регулювання сталості частоти обертання турбіни високого тиску п.-* =const > то попередньо була встановлена залежність вхід-

ТВД

ного':і вихідного кутів ірофілю соплового апарату турбіни низького тиску від показників приладу кута повороту привідного кільця лопаток. •

Лля побудови математичноі моделі середньоструменевого розрахунку характеристик турбіни в дисертаціі використовується відомі газодинамічні залежності, результати продувок плоских реаіток турбін, методи обчислення атрат в ступенях, відом1 з праць Аронова Б.І. Бойка A.B., Гречаниченка D.B., Гусакова Е.А., Дейча M.E., їиріцько-ro Г.C., Іноземцева H.В., Котляра і.В., Курзона А.Г., Мамаева Б.H., НаслоЕа I.A., Нечаева D.H., Pao C.C., Сиротіна Я.A., Соколовського Г.A., Степанова Г.Ю., Стоянова Ф.А., *рояновського Б.М., /ауторна У.Р., Шнея Я.1., Шубенка-Шубіна Л.А. та інших.

Алгоритм розрахунку характеристик.турбіни реалізований у вигляді програми для ЕОМ на мові Фортран. За результатами розрахунку характеристик турбіни побудовано графічні залежності узагальнених характеристик турбін високого і низького тиску для ГПА типів ГТК-ІОІ.та ГТК-25І у вигляді:

де(з - витрати робочого тіла в т”обіні;р* . повний і ста-

,->о

тичний тиски робочого тіла;^^- частота обертання ротора турбіни: LeTypj ефективна робота розширення робочого тіла в турбіні;^* -ККД турбіни. • ' тав

З роботі розроблено схему ідентифікації результатів розрахунку характеристик: за математичними моделями з реальними характеристиками елементів агрегату.

При побудові математичноі гіделі розрахунку характеристик нагнітача в роботі було використано методику розрахунку по приведених характеристиках, побудованих при газодинамічних випробуваннях нагнітача з застосуванням теорії подібностей та розмірностей. При цьому використовувались методи апроксимації характеристик нагнітача, викладені в працях Бобровського С.А., Немудрова А.Г., Яковлева £.1. Основним завданням розрахунку математичноі моделі характеристик нагнітача с знаходження потужності, яку споживає нагнітач при заданих параметрах газу і частоти обертання ротора, для проведення балансування розрахунків турбіни низького тиску і нагнітача за потужнієте. Алгоритм розрахунку характеристик нагнітача реалізо вано у вигляді програми для ЕОМ і за його допомогоо зроблено розрахунки основних режимів роботи для досліджуваних типів агрегатів.

Характер зміни параметрів елементу зі Зміною навколишніх умов чи режиму роботи ГПА визначається не тільки самим елементом, а й елементом, який працює сумісно з даним (турбіна високого тиску -осьовий компресор; турбіна низького тиску - нагнітач). Для знаходження ліній сумісноі роботи елементів агрегату в роботі побудовано ряд універсальних характеристик ГПА в безрозмірних координатах. Ці характеристики використовуються для визначення параметрів ГПА при зміні зовнішніх умов та режиму роботи.

За результатами розрахунку характеристик основних елементів ГПА побудовано графік параметрів сумісноі роботи цих елементів у складі газотурбінного двигуна (ГТД), (рис. ).

Третій розділ присвячено розробці за допомого«) методу малих відхилень способів приведення параметрів ГПА при зміні режиму його роботи чи навколишніх умов, якщо ці зміни достатньо малі, та методиці діагностування досліджуваних типів агрегатів. Ці питання по-требупть, як правило, оперативного вирішення. В роботі проведено лінеаризацію основних термогазодинамічних рівнянь робочих процесів в елементах ГПА і побудовано алгоритм приведення параметрі з при зміні навантаження та зовнішніх умов роботи для агрегатів досліджу

ТЧяі"

оТИ

Gr>w/c

Птах

ОТИ

'■/ 1 >'етнД.^Ь1 _________ - . „V. 051

-■- -л«ик ЭОНОВКЙ елементів ГПА гі

Графік сумісних характерлсти

Рис.

ваних типів. Приведені алгоритми реалізовано у вигляді програм для ЕОН на мові Фортран і за ними зроблено відповідні розрахунки зміни параметрів ГПА. Адекватність моделей перевірено в. порівнянні з реальніші. змінами параметрів при роботі ГПА, похибка не перевищує 5,6 %.

Для діагностування технічного стану ГПА типів ГТК-ІОІ та ГТК-25І в дисертації запропоновано схему двохрівневоі системи діагностування. Завданням першої підсистеми є контроль рівня технічного стану ГПА без локалізації місця появи Ьожливоі несправності і ініціювання сигналу для запуску другої підсистеми. Перва підсистема базується • на алгоритмі розрахунку узагальненого параметру, який визначає рівень технічного стану ГПА. Таким параметром а ККД ГПА. .

Завданням другоі підсистеми діагностування є локалізація місця несправності і виявлення причини її появи. Формування другоі підсистеми параметричного діагностування грунтується на застосуванні методу діагностичних матриць, який базується'на таких передумовах:

всі параметри контрольованого ГПА при одкьлочих зовнішніх умовах і на одному режимі залишаються незмінними до того часу, поки не з"явиться яка-небудь несправність в роботі його елементів, в зв"яз-ку з чим можна вважати, що відхилення параметрів потоку від раніше виміряних іх значень дають інформацію про появу несправності;

на початковій стаді і появи несправності в будь-якому вузлі ГПА відбувається незначна зміна характерних параметрів, порівняно з спраї ним вузлом, тобто для попереднього діагностування стану агрегату правомірне застосування методу малих відхилень;

діагностування проводиться на стаціонарному режимі роботи ГПА; діагнози за допомогою діагностичних матриць не залежать один від одного, а відхилення параметрів враховується разом;

за базові можуть прийматися як розрахункові значення парамотрів на певному режимі, так і виміряні на справному ГПА.

В роботі зроблено вибір діагностичних ознак для діагностування основних несправностей газоповітряного тракту досліджуваних ГПА, зміни яких в процесі діагностування свідчать про появу несправностей. Шляхом лінеаризаціі основних термогазодинамічних рівнянь робочого процесу агрегату побудовано систему діагностичних рівнянь (табл. І), яка в матричній формі має вигляд:

РХ ,

дз X - вектор-стовбець шуканих малих відхилень діагностичних ознак; У - вектор-столбець малих відхилень виміряних параметрів роботи ГПА; Р - квадратна матриця коефіцієнтів при шуканих малих відхи-

Таблиця І

СИСТЕМА ДІАГНОСТИЧНИХ РІВНЯНЬ

1. *4=041-^2+04-*^ ^гУ6-^У7 ;

2. X. 1+0б<,тм*1')Кзтгд'Х4 + (К^ТВ5+£)Х5 = (К«.-К-іУУ'2 + -^і-к^Уз+Уь-Уа+Уц ;

Ъ.

¿і' СіХг+КЗТ5ІИ(,тВДХ4 + К4гїдХ5 =С1К10У2 -сікіоУі+' +°.5с1у6 + сгу,-уа+с1уі0+с1уи; .

5. Сі-о,5С1)Х2-Хг-КптеяХ^-Хь = -(і-о,5С1')У1+-+ С1-о,5СОк10Уг4-а-К10 ^-о.бС^К^Уь+о,3(1-0,5С^У6 --о,5сгут-'0,5сіу10+-а-о,5с1')УЛ ;

6. ^¿тнп^'^1тнд^5 + к4тнд^8 ^іітиа^З »

7. Х7 *-Х8=-ск-5-піз *к1тн)^у4+(хітта+кдтлдуу5 -о,5У8-<3^оі1*сС1У1г;

8. ЭЦ + О^тъя '°.5КітедК4тід^Х4 -0,?>К/,ТІдХ5'*-Х6-Ха = = -^ ¥ - кгтнЛ +с.^с^1*с^іУі2лі0

9. Хд=-У„. •

ШУКАНІ ЗМІНИ ДІАГНОСТИЧНИХ ОЗНАК

'І = ~ віда°сна зміна КВД ОК, пов"язана зі зміно» в його Ск проточній частині;

’? “(Гб - відносна зміна витрати позітря черезОК, пов"язака с В-*1" з захаращенням прохідних перерізів спупеней;

■з ж Яб», - відносна зміна коефіцієнта відновлення повного кс тиску в КС;

“¿»"її* - відносна зміна степені розяирення робочого тіла в гая турбіні високого тиску;

>5 - відносна зміна ККД турбіни високого тиску;

б '&Рпя ~ відносна зміна коефіцієнта витрат турбіни еисокого тиску;

7 “<$■£ - відносна зміна коеф; -існта корисної діі турбіни ' чгіі'К')го тиску; .

Продовження табл. І .

ШУКАНІ ЗМІНИ ДІАГНОСТИЧИИХ.ОЗНАК

Y3 - відносна зміна коефіцієнта ви'грат турбіни ua-зького тиску;

Xg * ¿ÿriU - відносна зміна. 1Щ газоперекачувчоі,о агрегату

ЗЙІНА ВИМІРЯНИХ ПАРАМЕТРІВ ;

- відносна зміна тиску, атмосферного повітря;

Y2=SP0*t - відносна зміна тиску на вході в ОК; ■

Y3=5P* - відносна зміна тиску на виході ОК;

y4=^ - відносна зміна тиску за турбінов високого тиску;

YS=^o#5 - відносна зміна тиску за турбіноо низького тиску;

- відносна зміна температури атмосферного повітря; ,

Yj = <ЇТо? - відносна зміна температури- за ОК;

Ye=dT0î - відносна зміна температури за турбінов високого тиску;

V** - відносна зміна температури за турбінов низького тиску; "

Vio= - відносна зміна витрат паливного газу;

- відносна зміна витрат повітря на роботу системи антиайсінгу;

Y - відносна зміна на виході із соплового апарату турбіни низького тиску

леннях діагностичних ознак (табл. 2); Q. - прямокутна матриця коефіцієнтів при малих відхиленнях вимірвваних параметрів (табл. 3).

Розв’язок системи рівнянь X “Т* *Qy=KY полягає в знаходженні елементів матриці 'R='P-1Q. і проводиться на, ЕОН иляхом використання стандартних програм обертання і перемноження матриць.

В роботі проведено аналіз мінімально достатньої кількості контрольованих параметрів циклу ГПА та встановлено, які параметри найбільш доцільно контролввати ва працвочому ГПА при вивченні другої підсистеми локалізації несправностей для розв'язку системи діагностичних рівнянь. Коефіцієнти лінеаризації системи діагностичних рівнянь визначаться за допомогов безпосередньо виміряних параметрів циклу ГПА, характеристик елементів агрегату та універсальних

Таблиця 2

агальниЯ вигляд матриці Р коефіцієнтів при ауканих діагностичних

ознаках .

р ХІ 1 <\і 1 х3 X, Х5 х6 л хо Х9

І І 0 0 0 0 0 0 0 0

2 І і . 0 0 (к* +іу • »та* 0 0 0 0

] 0 0 І -І 0 0 0 0 0

0 СІ 0 К*ГМ’ І 'к^тгЗ к4ттз 0 . 0 0 1

0 і-о,зц -І _К;ГТЕЛ 0 -І 0 0 0

3 0 0 0 0 0 0 І 0 0

7 0 0 0 0 0 0 Г і І 0

3 0 0 І ^-0,5. І 0 -І 0

і 0 0 0 0 0 0 0 0 І

храктеристик, методів приведення параметрів, розроблених в роботі, хвздені результати розрахунків зниження ККД осьового компресора Г;!-25І и процесі експлуатації внаслідок забруднення проточної час-!ни і побудовано графік зміни відносного відхилення даної діагнос-ічноі ознаки в залеяності від часу.'

ЧатЕСртіа розділ дисертаціі присвячено розр-уЯзі методів прог-)зуван:ія технічного стану ГПА для розв"язаннц задачі оптимального іанувания технічного обслуговування агрегатів. Ефективність діаг-істування істотно підвищується, коли при проведенні контрольних іерація розв'язується задача прогнозування зміни технічного стану ІА в майбутні проміжки часу. Прогноз стану полягає у визначенні імвнту часу виникнення несправності та досягле нняГПА стану втрати іботоздатності. Ця інформація є базовов для планування термінів і обсягів технічного обслуговування та ремонтів, о-тимізаціі режн-в роботи, необхідного обсягу постачання запасними частинами. Роз-'ягання цісі задачі технічного діагностування дасть змогу перейти і обслуговування обладнання за його технічним станом, визначити іткмальні терміни проведення планово-попереджувальних ремонтів.

Для короткострокового прогнозування хоролиЯ результат дає ап-ксимеція характеру зміни параме' >ів лінійними залежностями. ІСое-

Таблиця З

Загальних хягхяд матриці <%. коефіцієнтів при х&хих відхиленнях виміряних

параметрів

а V* *5 V«, %0 V« V«

і 0 *і-К« 0 0 */кг. -}/кг 0 0 0 . 0 0

2 0 Кц-!Сі К^-Кц 0 0 і 0 -І о- . 0 ■ • І 0

3 0 0 -і І 0 0 0 0 . 0 0 0 0

4 0 СіК|0 -СіК* 0 о. 0,5 С* С2 -І • 0 «І СІ .0

5 -1+О^Сі (1-4,5 сі) •Кю 1-Кю+ °,5СіК* 0 0 0,5* Сі-Ч*сй -0,5 Сг 0 0 ІЧрСі 0

6 0 0 0 КЗТИ ' 0 0 -і/к4 тил 0 • 0 • 0 ■

7 0 0 0 •*>ПЖ* *»тня* 0 Р -0,5 0 0 0

8 0 0 -І 1*14 твд “к*тал 0 0 0 0 0 0

9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ' -І 0 0

;ціенти поліномів одержано на основі методу найменших квадратів.

Інформація про характер зміни діагностичних параметрів облад-іння е основною для оцінки технічного стану агрегату, попереджені аварійних відказів і планування термінів та заходів по обсягу імонтних робіт. ‘

В роботі проведено оцінку адекватності запропонованих матема-чних моделей розрахунку характеристик основних елементів ГПА та тематичних моделей п] ведення робочих параметрів агрегату при іні зовнішніх умов та навантаження методом малих відхилень за покогоя порівняння прогнозованих (розрахункових по моделях) та ктичних (виміряних) параметрів режимів роботи ГПА. Порівняння по-зало, що максимальне розходження між ними не перовищуе 6,3 %. Це з змогу ствердження адекватності розроблених-математичних моде-1 та міжливості використання іх для цілей діегностування ГПА.

ВИСНОВКИ

1. Запропоновано системний підхід, який базується на іерар-

іних рівнях діагностування основних несправностей газоповітряних :ктів ГПА типів ГТК-ІОІ та ГТК-25І. ' ' .

2. Розроблено математичні моделі розрахунку та здійснена іх нтифікація характеристик основних елементів ГПА (на базі серед-струменевих розрахунків течії та експериментальних даних гео-ричних параметрів проточних частин елементів) ооз дозволило нити енергетичні втрати в елементах ГПА (в тому числі системи иайсінгу) та побудувати графіки універсальних характеристик.

3. На основі побічноі зміни термогазодинамічних параметрів , зчих циклів агрегатів запропонована система діагностичних ліне-зованих рівнянь на базі методу малих відхилень.

4. Встановлено мінімально необхідну кількість вимірпваних па-

ітрів для системи діагностичних рівнянь; що в подальшому дозво-

і забезпечити найвищу інформативність системи пр*; найменших ви-•ах на і і обладнання. . .

5. Оцінена адекватність запропонованих математичних■моделей дови характеристик основних елементів ГПА та приведених робо-параметрів при зміні навантаження та зовнішніх впливів шляхом вняння прогнозованих і фактичних параметрів. Розходження між

кз перевищує 6,3 %, що дозво/. з рекомэндуват:; методики до

практичного і ... ; .^іання. •

б. Запропоновано метод прогнозування залишкового ресурсу експлуатації агрегатів, який базується на аналізі тгенду експлуата-ці •» показників ГПА (зокрема ШІД агрегату) пегсдгми математичної статистики, що обумовило можливість вдосконадег,::л системі; планування .профілактичного обслуговування обладнання компре эрних стаї. цій. Впровадження методу прогнозування залишкегггг. ресурс;- експлуатації агрегатів на Г^сятинськіЛ та Барській компресорних станціях в 1991 році обумовило економічній ефект в розмірі 162,2 тне. крб.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕННІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ: •

1. Избаи В.И., Коршунов С.Н. Динамика, изменения рабочих характерне тик нагнетателей в период их эксплуатации / Тезисы доклада Все-соозной конференции "Проблемы научно-техн. шского прогресса в трубопроводном транспорте газа Западной Сибири", Тюмень, 1987.

2. Грудз В.Я., Тинкив Д.Ф., Избаш В.И. Выбор рациональных стратегий обслуживания ГПА методами теории игр / Тезисы доклада на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы научно-технического прогресса в трубопроводном транспорте газа Западной Сибири", Тюмень, 1987. ‘ -

3. Избаи В.И., Бабенко А.Н. Модернизация схемы маслоснабжения тур-

боагрегатов ГТК-ІОІ и ГТК-25І / Газовая промышленность, К 3, 1989. '

к. Избаи В.И., Бабенко А.Н. Модернизация схемы циркуляции утилизаторов на КС / Газовая промыаленность, Ї 5, 1989.

5. Ізбая В.І. Математичне моделювання газодинамічних процесів в осьовому компресорі ГТУ / Тези доповіді на ІІ-тій конференції професорсько-викладацького складу Івано-Франківського інституту нафти і газу, Івано-Франківськ, 1993.

6. Грудз В.Я., Ізбаш В.І. Принципи побудови математичної моделі

ГПА з метоо діагностування його стану / Тези доповіді на II—ій

конференціі професорсько-викладацького складу Івано-їранхівсь-кого інституту нафти і газу, Івано-Франківськ, 1993.