ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ім. А.М. ПІДГОРНОГО

Прищепо Олександр Олексійович

УДК 681.3.06+681.518.54:621.51

УДОСКОНАЛЕННЯ РЕЖІМІВ РОБОТИ ГАЗОПЕРЕКАЧУВАЛЬНИХ АГРЕГАТІВ НА ОСНОВІ ЇХ ФАКТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук

старший науковий співробітник

Шубенко Олександр Леонідович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного НАН України,

завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Маляренко Віталій Андрійович,

Харківська державна академія

міського господарства

професор кафедри “Теплохолодопостачання”

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник,

Меньшикова Олена Дмитрієвна,

Національний технічний Університет “ХПІ”

доцент кафедри “Парогенераторобудування”.

Провідна установа: Національний технічний Університет “КПІ”

Теплоенергетичний факультет, м. Київ

Захист відбудеться “ 14 ” березня 2002 р., о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий “ 12 ” лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Обладнання компресорних станцій (КС) магістральних газопроводів України в даний момент наближається до стадії вироблення встановленого ресурсу. Це визначає зростання споживання газу на власні потреби до 4,5-5 млрд.м3 у рік, що складає 2,5-3,5 % від загального обсягу транспортування газу. Отже, загострюється проблема визначення фактичних характеристик обладнання КС, що відповідають реальному функціональному стану, з метою підвищення ефективності експлуатації.

Актуальність теми. Серед усього різноманіття питань, які виникали в процесі рішення цієї проблеми, велика роль приділяється створенню розрахункових моделей різних елементів комплексу відцентровий нагнітач (ВЦН) – газотурбінна установка (ГТУ) – компресорна станція – магістральний газопровід.

Розроблювані розрахункові моделі й алгоритми їх реалізації повинні відповідати ряду вимог, з яких однією з найбільш важливих є адекватний опис розрахунковою моделлю функціонального поводження елемента системи у всім різноманітті її станів, що мають місце в умовах реальної експлуатації. Зазначена умова найбільш ефективно реалізується в тих розрахункових моделях і алгоритмах, які для створення математичної моделі об'єкта спираються на використання фізичних закономірностей і особливостей робочих процесів, що протікають у системі транспорту газу.

Найважливішим елементом такої системи є ВЦН, від параметрів і показників, що характеризують фактичний технічний стан якого, істотно залежать витрати на компримування газу нагнітачем газоперекачувального агрегату (ГПА). Базовою задачею при цьому є ідентифікація технічного стану ВЦН і визначення його фактичних характеристик за допомогою газодинамічного розрахунку ВЦН, що дозволяє враховувати зв'язок параметрів потоку газу з конструктивними характеристиками проточної частини.

Запропонований у даній роботі підхід до визначення фактичних параметрів нагнітача, що грунтується на комбінованому використанні газодинамічного розрахунку проточної частини й експериментальних даних, якими є універсальна чи зведена характеристика, дозволяє з високим ступенем вірогідності визначити фактичні параметри нагнітача. Ця обставина, відсутність у літературі подібних підходів до визначення фактичних характеристик ВЦН, а також можливості рішення задач оптимізації режимів експлуатації ГПА, що виникають при цьому, зумовлюють актуальність обраної теми дослідження.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконується відповідно до тематичного плану науково-дослідних і експериментально-конструкторських робіт ДК “Укртрансгаз” НАК “Нафтогаз України” на 1997-2001 р.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в створенні на основі розроблення математичних моделей і проведення комплексних розрахунково-експериментальних досліджень процесів компримування газу в нагнітачах ГПА компресорних станцій методу визначення фактичних характеристик нагнітачів, що мають великий експлуатаційний знос, і удосконалення на цій основі їхніх режимів експлуатації.

Задачами дослідження, зумовленими метою роботи, є:

– розроблення методу розрахунку параметрів фактичного режиму роботи ВЦН ГПА в умовах експлуатації;

– експериментальне апробування методу розрахунку ВЦН на діючих об'єктах;

– оптимізація режимів роботи ГПА на базі проведених досліджень фактичних характеристик агрегатів, що мають великий експлуатаційний знос.

Об'єкт дослідження – відцентровий нагнітач для компримування природного газу при транспортуванні магістральними газопроводами.

Предмет дослідження – теплові і газодинамічні процеси в проточній частині ВЦН при різних режимах експлуатації і великому експлуатаційному зносі, заходи щодо удосконалення показників ефективності роботи газоперекачувальних агрегатів і КС у цілому.

Методи дослідження – у роботі були використані методи фізичного і математичного моделювання робочих процесів у проточній частині ВЦН. Експериментальні дослідження здійснено на промислових установках за допомогою сучасної вимірювальної апаратури. Для рішення задачі оптимізації було використано метод безумовної оптимізації багатомірних функцій.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому:

– вперше на основі створення математичних моделей процесів компримування газу в нагнітачах ГПА компресорних станцій розроблено метод розрахунку параметрів фактичного режиму роботи ГПА в умовах експлуатації, що грунтується на спільному використанні газодинамічного розрахунку нагнітача й експериментальних даних для незношеного стану;

– вперше розроблено метод оптимізації режимів роботи ГПА з урахуванням фактичних показників і характеристик технічного стану;

– вперше на базі чисельного експерименту для відцентрових нагнітачів різних типів отримано залежності фактичних параметрів режиму роботи (об'ємна витрата, політропічний ККД, внутрішня потужність) від ступеня зносу елементів проточної частини;

– у результаті чисельних досліджень, проведених на запропонованих математичних моделях, розроблено рекомендації з ефективного керування режимами роботи ГПА, що мають значний експлуатаційний знос.

Практичне значення отриманих результатів визначається:

– розробленням розрахунково-методичної основи для визначення параметрів фактичного режиму роботи і показників технічного стану ВЦН ГПА в умовах експлуатації для агрегатів, що мають великий експлуатаційний знос;

– розробленням програмного комплексу для визначення фактичного стану ВЦН магістральних газопроводів;

– розробленням практичних рекомендацій з визначення технічного стану і керування режимами роботи конкретних ГПА.

Результати роботи впроваджено на діючих об'єктах ДК “Укртрансгаз” НАК “Нафтогаз України”:

– в Управлінні магістральних газопроводів “Харківтрансгаз” – при плануванні режимів роботи газотранспортної мережі;

– в Управлінні магістральних газопроводів “Донбастрансгаз” – при визначенні фактичного технічного стану газоперекачувальних агрегатів;

– у НДПІАСУтрансгаз: при розробленні підсистеми “Діагностика технічного стану ГПА” САК КЦ КС “Тарутине” і виконанні роботи “Аналіз режимів роботи агрегатів ГПА-25С (із двигунами ДН-80) на КС “Бар-2”.

Особистий внесок дисертанта. Особистий внесок дисертанта в роботах, що опубліковані в співавторстві такий:

– у роботі [1] дисертант брав участь у постановці задачі, розробленні розрахункових алгоритмів, проведенні й аналізі результатів чисельних досліджень;

– у роботах [2], [3] брав участь у розробленні математичної моделі для визначення параметрів режиму роботи ВЦН, проведенні натурного експерименту, перевірці адекватності моделі;

– у роботі [4] автор брав участь у розробленні розрахункових алгоритмів, проведенні й аналізі результатів чисельних досліджень;

– у роботі [5] автор розробив алгоритм погоджень альбомних характеристик ВЦН, виконав апробацію алгоритму;

– у роботах [6, , ] виконав чисельні дослідження і проаналізував результати розрахунку функціональних характеристик різних типів ВЦН;

– у роботах [9, 10] виконав постановку задачі нормування витрати паливного газу;

– у роботі [11] брав участь у розробленні концепції реконструкції парку ГПА.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові і прикладні результати дисертаційної роботи доповідалися на:

– Міжнародній діловій зустрічі “Діагностика - 97”, (Ялта, 1997);

– Міжнародній діловій зустрічі “Діагностика - 98”, (Сочі, 1998);

– X Міжнародній конференції “Удосконалення турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання”, (Зміїв, 2000);

– Міжнародних ділових зустрічах “Діагностика - 2001”, (Хаммамет, Туніс, 2001);

– VII і VIII Міжнародних конференціях “Ресурсозбереження в ринкових умовах”, (Ялта, 2000, 2001).

Публікації. Основні результати роботи опубліковано в 11 друкованих працях, з них 6 – у виданнях за фахом, затверджених ВАК України, 5 – доповіді і тези доповідей у матеріалах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел із 150 найменувань і 5 додатків.

Загальний обсяг дисертації включає 109 сторінок основного тексту, 24  рисунка, 9 таблиць, усього 169 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі наукового дослідження, відзначено наукову новизну і практичне значення результатів, а також приведено відомості про апробацію роботи і публікації.

У першому розділі наведено огляд існуючих методів оцінки функціонально-технічного стану і діагностування ГПА, розглянуто класифікацію математичних моделей ГПА, застосовуваних при діагностуванні стану, проаналізовано існуючі підходи, що знайшли найбільш широке застосування в ДКУкртрансгаз" і ОАОГазпром". У їхньому числі роботи Біргера І.А., Зарицького С.П., Лопатина А.С., Щуровского В.А., Тунакова А.П. і інших авторів, які є основою сучасних підходів до розроблення систем і методів параметричної діагностики ГПА.

Найбільше поширення одержала методика ВНДПІГАЗ із проведення теплотехнічних розрахунків при випробуванні ГТУ і ВЦН, а також методика технічної діагностики обладнання КС ("Газпром").

Основним недоліком даних методик є те, що в математичних моделях не враховуються конструктивні особливості ВЦН і ГТУ, що діагностуються (такі, як кількість ступенів, геометричні розміри елементів газового тракту, ущільнень), що не дозволяє визначити вплив параметрів, які характеризують знос різноманітних елементів проточної частини на зміну фактичних параметрів режиму роботи (витрата, політропічний ККД, внутрішня потужність), а також розрахувати на основі цього фактичні характеристики ВЦН, що істотно знижує їх цінність.

Розроблення систем визначення фактичних характеристик і удосконалення режимів роботи ГПА є одним з основних напрямків забезпечення надійності та підвищення ефективності експлуатації, особливо ГПА, що мають значний експлуатаційний знос.

На основі проведеного аналізу становища проблеми сформульовані основні напрямки розроблення методів і засобів діагностування функціонально-технічного стану ГПА, ціль і задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено опису розробленої математичної моделі проточної частини ВЦН для діагностування функціонально-технічного стану нагнітача і визначення фактичних параметрів режиму роботи.

Проточна частина ступеня нагнітача складається із системи каналів і граток профілів. Потік реального газу через таку систему має досить складний просторовий і неоднорідний характер. Ці особливості істотно ускладнюють задачу створення методу розрахунку потоку в нагнітачі. У той же час при визначенні фактичних параметрів режиму ми оперуємо осередненими параметрами. З огляду на вищесказане, а також реальні фактичні вимоги розроблювана модель з однієї сторони повинна бути досить простою, а з іншої враховувати ряд основних факторів, спричинених умовами потоку:

– залежність коефіцієнтів втрат у робочих і дифузорних лопатках від їхньої геометрії, режиму течії, що характеризується газодинамічними критеріями подібності (M, Re) і кутом атаки;

– залежність втрат від протікань крізь ущільнення робочого колеса від геометрії ущільнення (величина зазору, кількість гребенів, діаметр ущільнення) і режиму роботи ВЦН;

– залежність втрат у безлопатковому дифузорі від його геометрії і режиму течії;

– облік реальних властивостей газу.

Таким чином, будемо розробляти модель в одномірній постановці, стосовно до течії у проточній частині ВЦН. Вирішується пряма газодинамічна задача – за заданими параметрами на вході в нагнітач (тиск Pвх і температура Tвх) і тиском на виході (Pвих), обертам ротору n, складу газу і геометрії проточної частини визначаються всі термодинамічні і кінематичні параметри в розрахункових перерізах.

Для визначення параметрів використовуються основні рівняння газодинаміки: збереження маси, збереження імпульсу і моменту імпульсу, збереження енергії (баланс енергії).

Алгоритм газодинаміч-но-го розрахунку параметрів потоку в проточній частині ВЦН побудовано як послідовний ітераційний розрахунок по перерізах (рис.1): 0 – за вхідним напрямним апаратом; 1 _ на вході в робоче колесо; 2 _ на виході з робочого колеса; 3 – на вході в лопатковий (безлопатковий) дифузор; 4 – на виході з лопаткового (безло-пат-ко-во-го) дифузору.

Розподіл параметрів у розрахункових перерізах підбирається таким чином, щоб при заданих обертах і вхідних параметрах (Pвх і Твх) розрахунковий тиск на виході збігався з заданим (Pвихрозр Рвих), виконувався баланс витрат по перерізах з обліком зворотних утікань:

G012, G342 – Gут;

де Gут – величина утікання над робочим колесом.

Втрати енергії в різних елементах проточної частини (а отже і вплив факторів, що характеризують зношення) враховуються за допомогою відповідних коефіцієнтів втрат. Також ми враховуємо втрати від зворотних утікань газу в ущільненнях покривного диску робочого колеса, зважаючи на те, що значна частина погіршення функціональних показників (витрата, напір, ККД) відбувається в силу збільшення зазорів і утікань в процесі експлуатації. Такий підхід до розроблення розрахункової моделі для ВЦН спирається на припущення про слабкий вплив ерозійного зношення на коефіцієнт корисної дії ВЦН. Це припущення підтверджується відомими даними експериментальних досліджень про те, що робочі колеса нагнітачів виходять з ладу до того, як ступінь ерозійного зносу лопаткового апарату досягне рівня, що істотно знижує коефіцієнт корисної дії.

Як замикання системи використано алгоритм визначення термодинамічних параметрів природного газу, що грунтується на використанні теореми відповідних станів. Даний алгоритм дозволяє для заданого складу природного газу (водяна пара, азот, вуглекислий газ, метан, етан, пропан і вищі вуглеводні - всього 12 компонентів) в області робочих параметрів за тиском і температурою розрахувати таблицю термодинамічних властивостей газу. Розроблені обчислювальні процедури дозволяють визначати всі параметри газу за двома відомими параметрами. Такий підхід до визначення термодинамічних параметрів є найбільш загальним.

При проведенні газодинамічного розрахунку в проточній частині для кожного режиму, що розраховується, основна проблема полягає в досить коректному визначенні коефіцієнтів втрат в елементах проточної частини, що представляє значні математичні складності. Для цієї мети нами запропоноване комбіноване використання газодинамічного розрахунку і вихідних характеристик нагнітача. Вихідні характеристики є результатом експериментального дослідження нагнітача даного типу на стенді в умовах заводу чи в умовах компресорної станції.

Розрахунок виконується в два етапи.

Перший етап полягає в ідентифікації коефіцієнтів втрат у робочих і дифузорних лопатках, а також кута відставання потоку на виході з робочого колеса за паспортною характеристикою нагнітача. Вихідна характеристика надає для цього на кожнім режимі роботи ВЦН три параметри - витрата газу, потужність і ККД (або температуру за нагнітачем.) Для підбору зазначених параметрів виконується газодинамічний розрахунок нагнітача, результатом якого є три зазначені величини - витрата, потужність і ККД (або температура на виході). Підбір коефіцієнтів втрат і кута відставання проводиться для всієї області режимів вихідної характеристики. Для кожної розрахункової точки на характеристиці нагнітача підбір параметрів здійснюється за допомогою алгоритму оптимізації симплекс-методом. Функцією, що мінімізується, є функція, яка являє собою суму відхилень розрахункових величин (витрати, потужності і ККД) від відповідних величин, визначених за початковою характеристикою в розрахунковій точці. Параметрами, що варіюються, є коефіцієнти втрат на робочому колесі і лопатковому дифузорі, а також кут відставання потоку на виході з робочого колеса. Таким чином, у результаті виконання першого етапу розрахунку обчислюються двомірні масиви величин: коефіцієнтів втрат у робочих лопатках, коефіцієнтів втрат у лопатковому дифузорі і кутів відставання потоку на виході з робочого колеса, що відповідають проектному стану нагнітача.

Другий етап – газодинамічний розрахунок ВЦН на робочому режимі з використанням відповідних цьому режиму коефіцієнтів втрат і кута відставання, визначених на першому етапі. Розрахунок здійснюється для різних величин зазорів в ущільненні покривного диску. При цьому відбувається зміна протікань газу, що відповідним чином змінює витратно-напірні показники ВЦН, одержані в розрахунку – витрата, потужність і ККД. Визначення величини фактичного зазору в ущільненні і фактичних характеристиках здійснюється за умов збігу розрахункової температури на виході ВЦН із фактичною, визначеною шляхом прямого вимірювання на даному режимі.

Розроблена методика газодинамічного розрахунку ВЦН реалізована у виді програмного комплексу, використаного як для проведення загальних чисельних досліджень натурних нагнітачів з метою ідентифікації їх фактичних і геометричних характеристик і визначення параметрів фактичного режиму, так і при рішенні задачі оптимізації завантаження паралельної групи ГПА.

Третій розділ присвячено перевірці адекватності розрахункової моделі фізичному процесу в проточній частині ВЦН, опису результатів чисельних досліджень із застосуванням розробленої моделі з визначення залежності фактичних параметрів режиму роботи відцентрового нагнітача (об'ємна витрата, політропічний ККД, внутрішня потужність) від параметрів, що характеризують зношення елементів проточної частини (радіальний зазор в ущільненні робочого колеса й інших).

Так само в розділі наведено результати розрахунків фактичних характеристик і порівняння з результатами експериментів, проведених на натурних одноступеневих і двоступеневих ВЦН.

Для апробації розробленої математичної моделі і перевірки її адекватності було проведено ряд розрахунків із визначення параметрів фактичного режиму і величини зношення ущільнень покривного диску ВЦН. Для зіставлення були використані результати експериментального дослідження натурного нагнітача ТКР-11, використовуваного в турбонаддувних дизелях середньої потужності.

Експериментальні дані отримані на часткових для даного компресора режимах роботи, що відповідають 20000, 24000 і 28000 об/хв при номінальному режимі – 50000 об/хв.

Аналіз зіставлення результатів розрахунку з експериментальними даними показав гарний збіг як з погляду витратно-напірних показників, так і з точки зору ККД. Розбіжність розрахункових даних з експериментальними не перевищує 1,5%. Відзначимо, що отримані результати відповідно до запропонованого методу розрахунку досягнуто підбором коефіцієнтів, що характеризують базові втрати в лопатках робочого колеса і лопаткового дифузора.

Отже, розроблена методика добре описує основні витратно-напірні і ККД _ характеристики компресора на режимах, віддалених від номінального.

З використанням розробленої методики було проведено чисельний експеримент із дослідження впливу зношення елементів проточної частини на характеристики нагнітача. Як об'єкт чисельного експерименту було обрано відцентровий нагнітач ТКР-11, дані експериментального дослідження якого використані при апробації розрахункової моделі. Для дослідження впливу зношення ущільнень було проведено три розрахунки з величинами зазорів в ущільненнях відповідно:

ущ = 0,5 мм – відповідає номінальному зазору;

ущ = 1 мм – середній ступінь зношення;

ущ = 1,5 мм – високий ступінь зношення.

Розрахунки показали, що збільшення зазорів в ущільненні приводить до істотних змін витратно-напірної і ККД характеристик. Зношення елементів проточної частини приводить до зсуву витратно-напірних характеристик в область менших витрат і зміні їхньої форми, що виявляється в збільшенні крутості характеристик в області великих витрат. Збільшення відносного радіального зазору в ущільненні в 2 рази приводить до відносного зменшення витрати в середньому на 6%, причому в області передпомпажних режимів відносне зменшення витрат зростає до 10 – 15%. При цьому відбувається зниження ККД компресора на 3 – 7% абсолютних чи на 5 – 10% відносних (у залежності від режиму).

У роботі проведені також великі дослідження з виявлення зносу проточної частини на фактичні характеристики для одноступеневих ВЦН: 370-17-1, 520-12-1 і багатоступеневих ВЦН: Demag , ГПА_Ц_6,3С/41_1.7, ГПА_Ц_6,3С/64_1.7.

На рис.2 приведені результати чисельних досліджень для ВЦН типу 520__. Досліджувався вплив збільшення радіального зазору в ущільненнях робочого колеса на ступінь стиску (рис.2а) і політропічний ККД нагнітача (рис.2б). Результати порівнювалися з даними експериментальних досліджень ВНДІгаз (Щуровский В.А., Зарицкий С.П. та ін.). Усі наведені розрахункові залежності отримані при номінальних обертах і різних значеннях об'ємної витрати (2 – витрата близька до Qmin, 3 – номінальна витрата, 4 – витрата близька до Qmax).

На рисунках видно гарний збіг розрахункових залежностей і експериментальних даних при Q=Qном і значні розбіжності при витратах , що відрізняються від номінального. Подібні ж результати отримані і для всіх досліджених типів ВЦН.

Отримані результати говорять про те, що вплив зносу елементів проточної частини на характеристики нагнітача неоднорідний у всій області допустимих режимів роботи (ОДР), і тому розрахунок фактичних параметрів режиму за паспортною характеристикою із внесенням єдиних для всієї ОДР поправок (як це прийнято в існуючих методиках) дає значні похибки. Використання ж методики розрахунку фактичних характеристик, з використанням газодинамічної моделі проточної частини, дозволяє з великим ступенем точності врахувати вплив зносу на фактичні параметри режиму у всьому діапазоні робочих навантажень, а також одержувати достовірні результати і для нових типів нагнітачів, для яких дослідження впливу зносу експериментально не проводилися.

Розрахунок для двоступеневих нагнітачів типу Demag 655 Р2, установлених на КС “Олександрівка” Черкаситрансгаз, проведений для ГПА № , .

Параметри режимів роботи обох ГПА були отримані в ході проведення теплотехнічних випробувань перед капітальним ремонтом. Виміри об'ємної витрати компримованого газу вироблялися вимірником “Флоутек” (клас точності 1.5).

На основі використання розробленої математичної моделі проточної частини ВЦН були визначені середні значення зазорів в ущільненнях покривного диску і розраховані фактичні значення потужності, ККД, об'ємної витрати газу через нагнітач. Отримані результати зіставлялися з відповідними вимірюваними і паспортними параметрами ВЦН, а так само з результатами вимірів зношення ущільнень, проведеними при розкритті проточних частин ВЦН.

а) | б)

Рис.2 Вплив зазору в ущільненні покривного диску на а) ступінь стиску, б) політропічний ККД нагнітача для ВЦН 520-12-1

1 — експериментальні дані;

результати чисельного моделювання при n=nном і різних витратах:

2 — Q=400 м3/хв (область малих витрат);

3 — Q=480 м3/хв (область близька до номінальної витрати);

4 — Q=600 м3/хв (область великих витрат).

У табл. 1 подано вимірювані параметри і результати їхньої обробки, необхідні для визначення фактичних параметрів режиму ВЦН ГПА № 2.

Визначене за запропонованою методикою середнє значення радіального зазору в ущільненнях покривного диску дорівнює ущ ,95 мм (при номінальній величині зазору [ущ]ном ,5 мм). Прямі виміри на розкритому нагнітачі дали середнє значення радіального зазору ущвим ,8 мм, що з високою точністю відповідає результатам діагностування з урахуванням похибки виміру.

Розрахована на за пропонованою методикою об'ємна витрата для агрегату №2 складає: Qоб разр = 216,44 м3/хв (масова витрата: G=133,52 кг/сек).

У той же час величина об'ємної витрати за даними “Флоутек”:

Qоб вим = 223,8 м3/хв, (Q=3,4%).

За результатами діагностування був зроблений висновок про незначність зносу проточної частини ВЦН ГПА №2, що цілком збіглося з результатами візуального огляду і вимірів при розкритті проточної частини ВЦН.

У той же час для агрегату № 3 був виявлений більш сильний ступінь зношення елементів проточної частини і в першу чергу ущільнень. Визначене за розрахунковою моделлю середнє значення радіального зазору в ущільненнях покривного диску ущ ,56 мм (при номінальній величині зазору [ущ]ном ,5 мм). Прямі виміри на розкритому нагнітачі дали середнє значення радіального зазору ущвим ,5 мм.

Розрахована за пропонованою методикою об'ємна витрата для агрегату №3 складає: Qоб розр = 221,2 м3/хв (масова витрата: G=139.78 кг/сек).

Агрегат №2

Таблиця 1

Величина об'ємної витрати за даними “Флоутек”:

Qоб вим = 225,8 м3/хв, (Q=2,1%).

При даному ступені зношення проточної частини відхилення фактичних розрахункових параметрів від паспортних (розрахованих за паспортними характеристиками ВЦН) склало: для об'ємної витрати 3,2%, ККД 1,5%, споживаної потужності – 3,5%. Такі уточнення є істотними для технологічних задач керування і планування транспорту газу.

У четвертому розділі розглянуте застосування методики визначення фактичних характеристик і параметрів ВЦН для рішення задачі оптимізації завантаження паралельної групи ГПА за критерієм мінімуму витрат паливно-енергетичних ресурсів. Звичайно, при виборі режиму завантаження паралельної групи ГПА, вважається, що характеристики і показники у всіх однотипних ГПА цілком збігаються. Застосування розробленої математичної моделі проточної частини ВЦН дозволяє визначити фактичні характеристики кожного нагнітача, що дало можливість розглядати кожен агрегат індивідуально, зі своїми власними характеристиками. У такому випадку правомочна постановка задачі про оптимізацію розподілу завантаження між паралельно працюючими ГПА з метою мінімізації сумарної споживаної потужності, і як наслідок витрат паливного газу.

У такій постановці розглядається компресорний цех, у якому містяться ГПА, з'єднані паралельно. Робота паралельної групи ГПА описується наступними рівняннями:

P вх ц = Р вх j ; P вих ц = Р вих j ; Твх ц = Твх j , j = 1 ... k; (1)

Q ц = ; Ni ц = , (2)

де j – номер агрегату; k – кількість агрегатів у групі.

У такий спосіб для паралельної групи ГПА повинні виконуватися рівняння(1)-(2).

Задача оптимізації режиму роботи цеху складається в перерозподілі навантажень між агрегатами з метою мінімізації сумарної споживаної потужності на перекачування Niц при виконанні планового завдання з перекачування газу на цех Qц та умов (1, 2).

При фіксованому ступені стискання (1) частота обертання валу ВЦН n, об'ємна витрата компримуємого газу Q і внутрішня потужність ВЦН однозначно відповідають один одному:

Q = Q(n); Ni = Ni(Q). (3)

Таким чином, регулюючи частоту обертання ротора n, ми змінюємо об'ємну витрату Q, і споживану потужність N, одержуючи в результаті залежності виду:

Ni = Ni (n). (4)

Крім того, частоти обертання для кожного агрегату повинні знаходитися в межах припустимих значень, обумовлених реальними технічними характеристиками кожного конкретного ГПА (границя помпажа, вентиляторні режими):

njmin nj njmax . (5)

З огляду на рівняння, що описують кожний ГПА і компресорний цех, математична модель буде мати такий вигляд:

ГПА в складі компресорного цеху представлені у виді векторів

n = (n1, n2, .. , nk); (6)

Q = (Q1, Q2, .. , Qk); (7)

Ni = (Ni1, Ni2, .. , Nik); (8)

Ni j = Ni j(Qj)= Ni j(nj); (9)

де j – номер ГПА в групі, j = 1 .. k.

Вектора n = (n1, .. , nk) і N = (N1, .. , Nk) знаходяться з вектора Q=(Q1,...,Qk) за допомогою функцій Ni(Q) і n(Q) відповідно.

На вектор Q = (Q1, Q2, .. , Qk) накладається обмеження у вигляді рівняння:

Qзад = , (10)

де Qзад – необхідна об'ємна витрата цеху Qц.

Потрібно мінімізувати функцію:

N ц = , (11)

що характеризує сумарну споживану потужність цеху на компримування. Таким чином, отримана задача багатомірної умовної оптимізації з обмеженням у вигляді рівняння.

Для зручності рішення задача була зведена до задачі безумовної оптимізації шляхом зменшення розмірності. Параметрами, що варіюються є (k _ ) компонентів вектора n, де k – кількість агрегатів; k-я компонента є залежною і знаходиться з рівнянь:

Qk = Qзад – , (12)

nk=nk(Qk) . (13)

У результаті приведених вище перетворень була отримана цільова функція, що має розмірність (k – 1):

. (14)

У результаті огляду існуючих методів оптимізації для визначення мінімуму цільової функції (14) був обраний метод покоординатного спуску, що має достатню швидкість збіжності стосовно до даної задачі, і, у той же час, потребує меншого обсягу обчислень у порівнянні з градієнтним методом або методом Ньютона – Рафсона.

Розроблений алгоритм оптимізації режиму компресорного цеху був апробований у ході виконання ряду розрахунків з оптимізації режимів роботи ГПА КЦ станції “Олександрівка” УМГ “Черкаситрансгаз”. На станції встановлено 7 агрегатів типу ГТК-10І з нагнітачами Demag 655 Р2. Одночасно експлуатується не більш 5 ГПА включених паралельно.

Розрахунок проводився для 5 працюючих ГПА (станційні номери , , , , ). При цьому фактичні параметри режиму були визначені з використанням газодинамічної моделі ВЦН з урахуванням розподілу їхнього узагальненого дефекту.

Оцінка ефекту оптимізації проводилася для значення сумарної витрати цеху QЦ2=1060 м3/хв. Порівняння проводилося з режимом, що відповідає одному з варіантів завантаження на КС.

У табл. 2, 3 приведено розподіл обертів, потужності й об'ємної витрати по агрегатах у цеху для неоптимального (табл. 2) і оптимального режимів (табл. 3).

Розподіл цехового навантаження при неоптимальному виборі режиму.

Таблиця 2

Qц=1060 м3/хв, NiКЦ = 38,695 МВт

Розподіл цехового навантаження при оптимальному виборі режиму.

Таблиця 3

Qц=1060 м3/хв, NiКЦ = 38,063 МВт

На рис.3 зображені лінії внутрішньої споживаної потужності кожного ВЦН у залежності від об'ємної витрати при фіксованому ступені стискання =1,32. На лініях нанесені точки режиму кожного ВЦН, що відповідають оптимальному розподілу навантажень.

Виграш від оптимізації завантаження агрегатів досяг 632 (кВт), що складає економію у витраті паливного газу 1,6 млн.м3 на рік.

Результати проведених досліджень та розрахунків показали, що постановка задачі оптимізації навантаження агрегатів компресорного цеху, що працюють паралельно, правомірна і дає відчутну економію паливного газу.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена теоретичним і експериментальним дослідженням теплових і газодинамічних процесів у проточній частині відцентрових нагнітачів газоперекачувальних агрегатів при різних режимах експлуатації і великому експлуатаційному зносі з метою удосконалення показників ефективності роботи ГПА і КС у цілому. У процесі виконання роботи було вирішено ряд важливих теоретичних і практичних задач.

Нижче перераховано основні результати і висновки, отримані автором.

1. Вперше для проведення оперативного розрахунку режиму роботи нагнітача ГПА, що перебуває в експлуатації, запропоновано метод, побудований на основі залежностей і співвідношень, що відображують зв'язок параметрів потоку газу з конструктивними характеристиками проточної частини, і який грунтується на спільному використанні газодинамічного розрахунку нагнітача й експериментальних даних для незношеного стану. Такий підхід дозволив понизити похибку визначення витрати газу, що компримується до 3 – 5%, що підтверджено експериментальними даними, отриманими на натурних нагнітачах.

2. На основі використання достовірних значень параметрів, що характеризують режим роботи, за допомогою розроблених алгоритмів може бути отримано оцінки технічного стану нагнітача, фактичні витратно-напірні, потужносні і ККД характеристики.

3. Результати визначення фактичного режиму роботи ВЦН є передумовою для оперативної діагностики функціонального стану ГТУ, зокрема, визначення фактичної витрати паливного газу (при відсутності прямого вимірювання).

4. Проведена перевірка адекватності розробленого методу на основі виконаних експериментальних досліджень на нагнітачі ТКР-11 показала, що метод із задовільним ступенем точності відображає вплив зносу елементів проточної частини на фактичні характеристики нагнітача. Зіставлення результатів розрахунку з даними експериментального дослідження відцентрового компресора в лабораторних умовах показало збіг з точністю 1.5% у діапазоні 0.6 – .4 номінального завантаження.

5. За результатами проведених у даній роботі досліджень зношення елементів проточної частини призводить до зсуву витратно-напірних характеристик в область менших витрат і зміні їхньої форми, що виражається в збільшенні крутості характеристик в області великих витрат. Так збільшення відносного радіального зазору в ущільненні в 2 рази призводить до відносного зменшення витрати в середньому на 6%, причому в області передпомажних режимів відносне зменшення витрати зростає до 10% – 15%. Зазначене відносне збільшення зазору в ущільненні призводить до зниження ККД компресора на 3 _ % абсолютних чи на 5 _ % відносних (у залежності від режиму).

6. Виконані чисельні дослідження параметрів фактичного режиму стосовно до натурних одноступеневих і двоступеневих нагнітачів показали помітні відхилення фактичних режимів від паспортних (для двоступеневого ВЦН типу Demag 655 Р2 за витратою – 3,2%, ККД – 1,5%, споживаної потужності – 3,5%), що є істотним для задач керування і планування процесу транспортування газу.

7. Отримані в роботі математичні моделі є об'єктивною основою для діагностики зношення проточної частини нагнітачів ГПА в процесі їхньої експлуатації без розкриття ВЦН. Зокрема, визначене за запропонованою методикою середнє значення радіального зазору в ущільненнях покривного диску для двох нагнітачів типу Demag Р2 показало гарну відповідність із прямими вимірами на розкритих ВЦН. Отримані результати демонструють можливості методу для рішення задач прогнозування календарних дат виведення агрегатів у ремонт за фактичним станом.

8. Розроблена модель проточної частини ВЦН, яка дозволяє визначати фактичні характеристики нагнітача, є основою для створення методу оптимізації розподілу завантаження між ГПА, що паралельно працюють, з метою мінімізації сумарної споживаної потужності і, як наслідок, витрат паливного газу.

Виконані розрахункові дослідження підтвердили, що постановка задачі оптимізації завантаження агрегатів компресорного цеху правомірна і дає відчутну економію паливного газу. Виграш від оптимізації завантаження п'яти ГПА КС “Олександрівка” склав 630 кВт за потужністю, що відповідає річній економії паливного газу більше ніж 1,6 млн. м3.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Горбунов В. С., Лысяный Г. Н., Школьный Н. П., Федорак И. Д., Клов А. К., Прищепо А. А. Особенности нормирования выбросов вредных веществ // Газовая промышленность. - 1992. - № 1. - С. 26 - 29.

2. Ільченко Б. С., Прищепо О. О., Тумаркін О. Л., Фролов Б. І. Визна-чен-ня фактичних характеристик нагнітачів ГПА в умовах експлуатації методом імі-та-ційного моделювання //Нафтова і газова промисловість. - 1999.-№ 6.- С. 44 - 47.

3. Ільченко Б. С., Прищепо О. О., Тумаркін О. Л., Фролов Б. І. Модель-но-програмний комплекс для оперативної діагностики функціонально-технічного стану ГПА //Нафтова і газова промис-ловість. - 2000. - № 1. - С. 45 - 48.

4. Прищепо А.А., Шубенко А.Л., Ильченко Б.С., Тумаркин А.Л. К вопросу об определе-нии фактической мощности на валу силовой турбины газоперекачивающего агрегата // Питання розвитку газової промисловості України: Збірник наукових праць, Укрндігаз, 2000. - Вип. ХХVIII. - С. 80-88.

5. Яценко А.И., Ильченко Б.С., Прищепо А.А., Хритин А.Г., Токаев Н.В. Диагностика функционального состояния газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов, находящихся в эксплуатации в ДК "Укртрансгаз" // Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: Сб. научн. трудов. - Харьков: Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины. - 2000. - С. 323-326.

6. Бруєв І. В., Прищепо О. О., Ільченко Б. С., Лівшиць В. Л., Ізмалков Б.І. Використання альбомних характеристик при розрахунках показників ВЦН //Наф-това і газова промиловість. - 2001. - № 1. - С. 55 - 58.

7. Колодяжный В.В., Ильченко Б.С., Фролов Б.И., Прищепо А.А. Опыт эксплуатации и перспективы развития автоматизированных систем диагностики газоперекачивающего оборудования // Восьмая Международная Деловая Встреча “Диагностика-98”. - Сочи, 1998.- Т. . - С. 191.

8. Прищепо А.А., Ильченко Б.С. Определение фактических характеристик ЦБН ГПА для индивидуального нормирования расхода топливного газа // Одиннадцатая Международная Деловая Встреча “Диагностика-2001”, г. Хаммамет, Тунис. - 2001., Т1. - С. 175-179.

9. Прищепо А. А., Семенов А. А., Опанасенко Н. И. Проблемы удель-но-го нормирования затрат природного газа на технологические нужды при его транспортировке //Ресурсоенергозбереження в ринкових умовах, Сб. тез. докл. VII Международной конференции. - Ялта, июнь 2000. - С. 21 - 24.

10. Колодяжный В. В., Ильченко Б. С., Яценко А. И., Прищепо А. А. Нормирование расхода топливного газа на основе диагностики функционально-технического состояния ГПА //Ресурсоенергозбереження в ринкових умовах, Сб. тез. докл. VIII Международной конференции. - Ялта, июнь 2001. - С. 67 - 69.

11. Коломєєв В. М., Прищепо О. О., Хоха Ю. Л. та інш. Реконструкція парку ГПА - головний ресурс енергозбереження в газотранспортній системі ДК “Укртрансгаз” //Ресурсоенергозбереження в ринкових умовах, Сб. тез. докл. VIII Международной конференции. - Ялта, июнь 2001. - С. 44 - 47.

АНОТАЦІЯ

Прищепо О.О. Удосконалення режимів роботи газоперекачувальних агрегатів на основі їх фактичних характеристик. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. – Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України. – Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням визначення фактичних характеристик обладнання КС, що відповідають реальному функціональному стану, з метою підвищення ефективності експлуатації. Представлено опис розробленої математичної моделі проточної частини ВЦН для діагностування функціонально-технічного стану нагнітача і визначення фактичних параметрів режиму роботи. Проведено перевірку адекватності розрахункової моделі фізичному процесу в проточній частині ВЦН. Наведено результати чисельних досліджень із застосуванням розробленої моделі з визначення залежності фактичного режиму роботи відцентрового нагнітача від параметрів, що характеризують зношення елементів проточної частини. Розглянуто застосування методики визначення фактичних характеристик і параметрів ВЦН для рішення задачі оптимізації завантаження паралельної групи ГПА за критерієм мінімуму витрат паливно-енергетичних ресурсів.

Ключові слова: діагностування, газоперекачувальний агрегат, функціонально-технічний стан, газотурбінний двигун, відцентровий нагнітач, проточна частина, радіальні ущільнення.

АННОТАЦИЯ

Прищепо А.А. Совершенствование режимов работы газоперекачивающих агрегатов на основе их фактических характеристик. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины. – Харьков, 2001.

Диссертация посвящена вопросам определения фактиче-ских характеристик ГПА, соответствующих реальному функцио-нальному состоянию, с целью повышения эффективности эксплуатации.

Приведен обзор существующих методов оценки функционально-технического состояния и диагностирования ГПА, рассмотрена классификация математических моделей ГПА, применяемых при диагностировании состояния, проанализированы существующие подходы.

Разработана методика определения фактических параметров нагнетателя, основанная на комбинированном использовании газодинамического расчета проточной части и экспериментальных данных, которыми являются паспортная приведенная характеристика. Представлено описание разработанной математической модели проточной части ЦБН для диагностирования функционально-технического состояния нагнетателя и определения фактических параметров режима работы. Представленная методика позволяет с высокой степенью достоверности определить фактические параметры нагнетателя.

В диссертации проведена проверка адекватности расчетной модели физическому процессу в проточной части ЦБН. Сопоставление результатов расчета с данными экспериментального исследования центробежного компрессора в лабораторных условиях показало совпадение с точностью 1.5% в диапазоне 0.6 – .4 номинальной загрузки. Описаны результаты численных исследований с применением разработанной модели по определению зависимости фактических параметров режима работы центробежного нагнетателя (объемный расход, политропический КПД, внутренняя мощность) от параметров, характеризующих износ элементов проточной части (радиальный зазор в уплотнения рабочего колеса). Так, увеличение относительного радиального зазора в уплотнении в 2 раза приводит к относительному уменьшению расхода в среднем на 6%, причем в области предпомажных режимов относительное уменьшение расхода возрастает до 10% – %. Указанное относительное увеличение зазора в уплотнении приводит к снижению КПД компрессора на 3 – % (в зависимости от режима).

Выполненные численные исследования параметров фактического режима применительно к натурным одноступенчатым и двухступенчатым нагнетателям показали заметные отклонения фактических режимов от паспортных (для двухступенчатого ЦБН типа Demag 655 Р2 по расходу 3,2%,