CC BY
13Это уравнение говорит, что на расстоянии г от источника звука расширяющейся сферы, с объемом V, давление равняется P. Слагаемое q часто определяется как сила акустического источника. Наконец, из уравнения звука
р _ Poc0 г0 - • Г
Следовательно,
AP _ уУ''^) _ т''^)
P0 cl4w PcCo 4п
Модель была адаптирована на расчет амплитуды волны сверхдавления при подводном взрыве БФП. Для оценки применимости модели используются открытые данные отчетов о проведении серии крупномасштабных экспериментов BURRO, COYOTE и др. Однако однозначных выводов по имеющимся данным сделать нельзя. Несмотря на достаточно хорошую сходимость рассчитанных и фактических данных, необходимо провести серию экспериментов для изучения непосредственно подводного взрыва БФП.
Таким образом, для обеспечения безопасной транспортировки СПГ крайне необходимо всестороннее исследование явления подводного быстрого фазового перехода, с последующей проверкой физико-математической модели. Моделирование позволит произвести расчет мощности и радиуса продвижения взрывной волны, а также прогнозировать возможные разрушения.
Библиографический список
1. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Тематический блок «Национальная безопасность». Обоснование прочности и безопасности объектов континентального шельфа. 6 т. - Т. 1. - М.: МГОФ «Знание», 2015. - 664 с.
2. Пермяков В. Н., Швец В. С. Быстрый фазовый переход как потенциальная угроза при транспортировке СПГ // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2017. - № 2. - С. 111-115.
3. Salzano E. Blast Waves Produced by Rapid Phase Transition of LNG on Water // 8th Topical Conference on Natural Gas Utilization, AIChE Spring Meeting, 2008. - Р. 303-313.
4. Atallah S. Rapid Phase Transitions. - Topical Report GRI-92/0533. - Gas Research Institute, 1997.
5. Shaw S., Baik J., Pitblado R. Consequences of Underwater Releases of LNG // Process Safety Progress. - 2005. -Vol. 24, Issue 3. - P. 175-180.
Сведения об авторе Information about the author
Швец Валерий Сергеевич, аспирант кафедры тех- Shvets V. S., Postgraduate at the Department of Tech-
носферной безопасности, Тюменский индустриальный nosphere Safety, Industrial University of Tyumen, phone:
университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390343, e-mail: 8(3452)390343, e-mail: ShvetsVS91@gmail.com Shvets VS91 @gmail. com
Машины, оборудование и обустройство промыслов
УДК 658.588:622.691.4.052.012
ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ПО ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ
DIAGNOSTICS OF TECHNICAL CONDITION OF GAS-TURBINE UNITS ON
PARAMETRIC DATA
С. И. Перевощиков
S. I. Perevoschikov
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Ключевые слова: газоперекачивающие агрегаты; газотурбинные установки; параметрическая диагностика Key words: gas-pumping units; gas-turbine units; parametric diagnostics
Газотурбинные установки являются приводом большинства газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов. Это придает им соответствующую значимость и повышенную требовательность к их техническому состоянию.
Надлежащее техническое состояние газотурбинных установок (ГТУ) обеспечивается различным образом в том числе своевременной и качественной диагностикой. В первую очередь речь идет о параметрических методах, основанных на показаниях штатных приборов контролируемых объектов, что для ГТУ, размещаемых вдали от центров с развитой инфраструктурой, является определяющим.
Успешность конкретных методов параметрической диагностики в значительной степени зависит от физических моделей, положенных в их основу. Существующие методы параметрической диагностики ГТУ базируются на термодинамических моделях. Это обеспечивает их определенной физической базой, так как ГТУ являются тепловыми двигателями, в которых используются термодинамические эффекты. Однако, несмотря на это, большинство из них недостаточно адекватно отражают реальные процессы, и это сказывается на их корректности [1]. Причина тому — сложность протекающих в ГТУ физических процессов и их недостаточная изученность. Ситуацию можно попытаться исправить за счет использования иного, не термодинамического, подхода к получению нужной модели.
Такая попытка предпринята при разработке методики, представленной в работах [2, 3]. Она получена на других принципах — на основе кинематики потока продуктов сгорания в проточной части силовых турбин ГТУ. Однако этим отличие методики [2, 3] не ограничивается. Ее результаты представляются не единичными значениями диагностических параметров (эффективной мощности Ne и эффективного КПД установок), по которым выносятся диагностические выводы, а зависимостями вида Ne пр = f(ñc др) и = (ñc пр), где Ne ^ и ñc пр — приведенная эффективная мощность ГТУ и приведенное число оборотов ротора силовой турбины установки.
где псо и пс — число оборотов ротора силовой турбины ГТУ при номинальном и текущем режиме работы агрегата, 1/мин; Т10 и Т1 — температура атмосферного воздуха, номинальная для данного ГПА и текущая, К; Р10 и Р1 — давление атмосферного воздуха, номинальное для данного ГПА и текущее, Н/м2; Neo и Ne — мощность ГТУ, номинальная и текущая, Вт.
i
Ne = пс • Чп ' Т4 ■[ А^^В^Шу-1- а]; (3)
ЧГГ'4 VZ3 '3'
А =6,830 -10-3 •R2; В =1,89110-4-1; (4)
R, W
а =1,861 -10-5-1, (5)
R' V '
где q„— расход продуктов сгорания через силовую турбину установки, кг/с; Т4 и Т' — температура продуктов сгорания после силовой турбины и эффективная температура перед силовой турбиной, К; Z4 и Z'3 — коэффициенты сжимаемости продуктов сгорания в условиях после силовой турбины и перед ней.
Параметры A, B и a, входящие в (3), включают физические постоянные, характерные для ГТУ газовой промышленности, и индивидуально зависят от геометрической конфигурации проточной части силовых турбин. Для каждой ГТУ они имеют свои численные значения и постоянны. Их значения для некоторых ГТУ приведены в таблице.
Значения постоянных А, В и а для некоторых газотурбинных установок
Тип ГПА А • 103, м2 В -104, м2/(кг-К) а -105, м2/(кг-К)
ГТ 750-6 0,50533 6,9529 6,8419
ГТН-6 2,9035 2,9006 2,8543
ГТК-10-4 0,75739 5,6793 5,5886
ГТК-16 6,1513 1,9928 1,9610
ГТН-25 7,0783 1,8578 1,8281
ГПА-Ц-16 4,2843 2,3879 2,3498
ГПА-10 4,1449 2,4277 2,3890
Коберра-182 5,7434 2,0624 2,0294
Для ГТУ, не представленных в таблице, А, В и а находятся по параметру Д, который определяется подстановкой А, В и а из (4) и (5) в (3) и решением полученного уравнения относительно Д.
Диагностика на основе функциональных зависимостей дает методике [2, 3] ряд преимуществ. Одним из них, и важнейшим, является получение не единичных значений диагностических параметров, а, по существу, реальных энергетических характеристик установок.
Соответствие получаемых зависимостей Ые пр = /(пс пр) и = (пс пр) действительным характеристикам требует подтверждения, что трудно выполнимо в условиях эксплуатации ГТУ. Однако такое подтверждение необходимо. Оно может быть получено на основе косвенных, но физически обоснованных, доказательств, а именно — получением аналогичных зависимостей иным способом, независимым от примененного в методике [2, 3] подхода. В частности, на термодинамических основах с использованием понятия эффективной температуры, в данном случае — эффективной температуры продуктов сгорания перед силовой турбиной . Эта температура не регистрируется датчиками, но реально существует, являясь результатом ряда энергетических преобразований рабочего тела газовых турбин.
Первая трансформация энергии рабочего тела происходит при совершении продуктами сгорания работы по приведению в действие силовых турбин ГТУ. В ходе этого процесса часть энергии продуктов сгорания теряется, рассеиваясь в виде теплоты в окружающее пространство. Вторично энергия рабочего тела изменяется за счет аккумулирования продуктами сгорания некоторого количества рассеиваемой теплоты. В результате этого энергетический потенциал рабочего тела повышается и вырабатываемая турбиной мощность возрастает.
В итоге, оказывается, что создаваемая ГТУ мощность Л/е является функцией не температуры продуктов сгорания на входе в силовую турбину, а некоторой иной температуры, которая, в том числе, дает эффект приращения мощности, то есть эффективной температуры .
Приращение мощности отмеченным образом и существование некоторой эффективной температуры являются установленными фактами [4], также фактом является невозможность инструментального определения температуры Т3[. Доступно лишь с той или иной степенью достоверности определить ее расчетным способом. Такое определение Т3 осуществлено в работе [5], где предлагается несколько вариантов расчета этого параметра.
" П 2 П = 7 -П _ (1 — !М) •(Тз0 V-1 • ( П в ^ • Р40 . (1±\п-! ]
3 [ ( Тзо' (7*40) (пво/ Ра (ТЗ) ]
т" _1_ т •
где 130= -—т~ + !40;
Чп0 српо
где
Тз =
{1-Кп • [1 Кп• пс]nAn-Dy п/(п-1)
Т30 ' 'псО п п УГ40
Т3 = т3 •[ ^ + ^ (1 - Пс)0'25 ],
'30
кп = (1 )• ^ ; кп = кп-(ig)
1
псо'
где
К3 = - 6,980 •Ю-2-(^°)2 + 0,1397^(-30) -3,859-10"
V40 ' ^т40 /
В представленных выражениях используются следующие обозначения: Т3 — температура продуктов сгорания перед турбиной высокого давления (газотурбинным блоком), К; -^j- — комплексный показатель политропического расширения продуктов сгорания в турбоблоке; пв — число оборотов ротора турбины высокого давления, 1/мин; индекс «о» — принадлежность параметра к номинальному режиму работы ГТУ.
Из термодинамики известно, что мощность создается за счет разности энтальпий, и в рассматриваемом случае она равна
Ne = Чп • Срп • (Т33 - 74) , (6)
где Ср п — теплоемкость продуктов сгорания в условиях силовой турбины, Дж/(кгК).
Неизбежные в любом термодинамическом процессе потери энергии в (6) учитываются в значении температуры Т3, что позволяет обходиться без традиционного применения коэффициента полезного действия (КПД) рассматриваемого процесса.
По (3) и (6) были произведены расчеты эффективной мощности Ne для одной и той же ГТУ типа ГТК-10-4, и результаты расчетов обработаны по методике [3]. Обработка состояла в получении зависимостей Ne пр = /(nc ) и их достоверности R2 с помощью программного продукта Microsoft Excel. Результаты расчетов приведены на рисунках 1 и 2.
Nenp
0,4 0,2
о—^ о
= 1,516x -и,549 R2 = 0,930
.1.1.1.
Ne
0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15
Рис. 1. Результаты расчетов Ne пр на основе (3)
Пс пр
0,6 0,4 0,2
.......^—
..................... •
..........••.........
У = 1 578x-С 2 = 0,92 ,620 2
0,8 0,85 0,9 0,95
Пс пр
Рис. 2. Результаты расчетов Ne пр на основе (6)
Выражение (6) в своей основе классическое, от классического вида его отличает только присутствие эффективной температуры. Замена поддающейся непосредственному измерению температуры рабочего тела турбины ее эффективным значением, учитывающим ранее отмеченные и существующие в действительности трансформации энергии рабочего тела, не искажает ситуацию, а, напротив, делает ее физически более достоверной.
0,8
0,8
0,6
1,05 1,1
Таким образом, имеются два выражения, (3) и (6), для определения одного и того же параметра одного и того же физического объекта. При этом данные выражения получены независимыми друг от друга способами: одно (3) — исходя из кинематики потока продуктов сгорания в проточной части ГТУ; другое (6) — на основе классических термодинамических зависимостей. Оба имеют под собой достаточную физическую базу. Результаты расчетов по этим выражениям (см. рис. 1 и рис. 2) можно считать независимыми. Необходимую независимость им придает и использование при расчетах по (3) и (6) значений различных параметров.
Сравнение независимо полученных результатов расчетов показывает следующее:
• оценочные значения диагностического параметра Nenp (значения Ne пр при nc др = 1), полученные на основе (3) и (6) и по которым выносятся диагностические выводы, 0,967 и 0,958 соответственно отличаются на 0,009 или, с учетом относительности параметра Ne пр, — на 0,9 %;
• достоверности диагностических выводов, полученных по сравниваемым вариантам диагностики, близки и составляют 0,930 и 0,922.
Минимальное пороговое снижение Ne, при котором регламентируется принимать управленческое решение по дальнейшей эксплуатации ГТУ (о выводе ГТУ в средний ремонт) составляет 15 %.
Таким образом, наблюдаемое расхождение между оценочными значениями N^np, рассчитанными по (3) и (6), намного меньше 15 %. То есть погрешность определения Ne по (3) и (6), если под таковой понимать разность между N^, полученными независимыми друг от друга способами, существенно меньше (более чем в 16 раз) определяемой величины. Это позволяет сделать заключение, что результаты расчетов по (3) и (6) соответствуют действительности (в пределах установленной достоверности 0,930 и 0,922), а зависимости (3) и (6) адекватно отражают описываемые ими процессы.
Такой вывод дает основание считать выражения (3) и (6) приемлемыми для выполнения на их основе параметрической диагностики ГТУ.
Второй диагностический параметр ГТУ — эффективный КПД — является производной от эффективной мощности Ne, так как представляет отношение данной мощности к энергии, затраченной на ее получение (цт ■ )
(Чт'бр), ( )
где Ne находится по (3) или (6); цти в£ — расход (м3/с) и низшая теплотворная способность (Дж/м3) топливного газа.
Выше сделанное заключение относительно (3) и (6) придает и выражению (7) необходимые для его практического применения качества.
Библиографический список
1. Перевощиков С. И. Параметрическая диагностика газоперекачивающих агрегатов с турбоприводом. - Тюмень: ТИУ, 2017. - 236 с.
2. Перевощиков С. И. Диагностика газотурбинных двигателей по их эффективной мощности // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2014. - № 3 - С. 112-121.
3. Перевощиков С. И. Развернутая диагностика технического состояния газотурбинных двигателей по их эффективной мощности // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2014. - № 5. - С. 92-98.
4. Ревзин Б. С., Ларионов И. Д. Газотурбинные установки с нагнетателями для транспорта газ: справ. пособие. - М.: Недра, 1991. - 303 с.
5. Перевощиков С. И. Расчет эффективной температуры продуктов сгорания перед силовыми турбинами газотурбинных двигателей // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2016. - № 1. - С. 100-106.
Сведения об авторе Information about the author
Перевощиков Сергей Иванович, д. т. н., консуль- Perevoschikov S. I., Doctor of Engineering, Consultant
тант кафедры прикладной механики, Тюменский индуст- at the Department of Applied Mechanics, Industrial Universi-
риальныйуниверситет, г. Тюмень, тел. 8(3452)467480 ty of Tyumen, phone: 8(3452)467480
