КОРРЕКЦИЯ ПРИВЕДЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГНЕТАТЕЛЕЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МАШИН Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.438:622.691.4.052.006 КОРРЕКЦИЯ ПРИВЕДЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГНЕТАТЕЛЕЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МАШИН

CORRECTION OF INJECTORS REDUCED CHARACTERISTICS BASED ON THE MACHINES PARAMETRIC DIAGNOSTICS RESULTS

С. И. Перевощиков

S. I. Perevoschikov

Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень

Ключевые слова: нагнетатели центробежные; диагностика параметрическая; характеристики приведенные Key words: centrifugal injectors; parametric diagnostics; reduced characteristics

Успешность работы газотранспортных систем в значительной мере зависит от эффективности использования центробежных нагнетателей природного газа (ЦБН) - машин непосредственно перемещающих газ по магистралям. Основные характеристики данных машин, определяющие их надежность, остаточный ресурс, экономичность работы и т. д., в значительной мере зависят от практикуемых режимов работы нагнетателей. Режимы назначаются в зависимости от ситуации согласно технологическим потребностям и техническим возможностям машин. При этом используются приведенные характеристики нагнетателей, представляющие в гра-

78

Нефть и газ

№ 6, 2015

фическом виде зависимость основных рабочих параметров машин (степени сжатия £, политропического КПД г]пол и относительной приведенной внутренней мощности [А^/рн]пр) от приведенной производительности [ф]пр и приведенных чисел оборотов роторов нагнетателей [пн/пно]пр (рис. 1).

т

LPгcJ

100 £ 1,6

1,3

0,8

Приведенные характеристики получают по результатам заводских испытаний и соответствуют новому, технически исправному состоянию машин.

При работе нагнетатели подвергаются износу и их характеристики изме-о7 няются. В результате реальные характеристики оказываются отличными от о,б заводских. Принятие обоснованных решений по рациональной эксплуатации машин в таких условиях на базе не соответствующих действительности заводских характеристик становится затруднительным. Ситуацию можно исправить с помощью соответствующей коррекции (М /мин исходных характеристик. Для этого необходимо располагать методикой, позволяющей пересчитывать заводские характеристики с учетом фактического износа нагнетателей.

Исследования показывают, что наибольшему износу подвергается проточная часть, а в ней — рабочие колеса машин [1]. При этом износ конструктивных элементов рабочих колес непосредственно влияет на текущие значения политропического КПД нагнетателей [3, 4]. На основе [5] и рекомендаций ВНИИгаз, на которые в [5] делается ссылка, можно заключить, что смещение кривых ^пол = /([(?]пр) на приведенных характеристиках происходит по оси ординат вниз и эквидистантно, то есть на одну и ту же величину при всех значениях [ф]пр . Это дает возможность на основе изменения политропических КПД машин при их номинальных режимах найти «сдвиг» кривых г]пол = /([(?]пр). Он составляет

:

\ |

—-ч ч.

Ч \

1 ,10 \

05- \ \

г п \ \ \

к Г - ■ ,00' ,95 ,90 \ \ \

р-0 -- N К \

0 \ N \ \\

0 ,85 Ч \ \

200

зоо [ф

Рис. 1. Общий вид приведенных характеристик нагнетателей

АЧ

пол Лиол.о Лиол ?

(1)

где г]пол 0 — паспортное значение политропического КПД нагнетателя при его номинальном режиме работы; 77*ол — текущее значение г]П0Л, соответствующее номинальному режиму работы ЦБН и установленное в ходе диагностики. Текущие значения политропического КПД 77*ол целесообразно определять по методике [2], позволяющей оценивать его достоверность Я2. Нахождение г\*иол по этой методике состоит в расчете г]иол по аппроксимирующей зависимости

Л поя = /Сяг) (рис. 2) при х = Хо, где X = 1п /1п — значение х при номи-

нальном режиме работы нагнетателя; г]иол — текущие значения политропического КПД нагнетателя; Гн1 и Гн2 — абсолютная температура газа на входе и выходе нагнетателя, К; Рн1 и Рн2 — абсолютное давление газа на входе и выходе машины, Н/м2. Текущие значения политропического КПД нагнетателя рассчитываются по (2)

Лиол Лт\

'"Ю 1п£н

1П£И

(2)

№ 6, 2 015

Нефть и газ

79

где £н = Рп2/РП1 • 2н1 — коэффициент сжимаемости газа при условиях на входе в нагнетатель; индекс «о» обозначает значения параметров при номинальном режиме работы машины.

Рис. 2. Определение т]*пол по аппроксимирующей зависимости г]пол = f(x)

Таким образом, на основе (1), (2) и аппроксимирующей зависимости вида г]П0Л = f(x) можно количественно оценить изменение характеристики Лпол = /([(?! пр) нагнетателей в результате их износа. Это изменение состоит в смещении исходной заводской характеристики по оси ординат вниз на величину Д?7пол - рассчитанную по (1).

Изменение политропического КПД нагнетателей сказывается на виде других кривых, содержащихся на приведенных характеристиках.

Новый вид кривых £ = /([(?]пр) определим на основе известного выражения, связывающего степень сжатия е с политропическим КПД компрессорных машин. Для рассматриваемой ситуации, когда компримированию подвергается природный газ, данная зависимость записывается следующим образом [6]:

(■г ,\»)пол/0.235

= й) • (3) где £н — степень сжатия нагнетателя; 0,235 — численное значение комплексного показателя адиабаты (/с — 1 )/к для природного газа.

Запишем (3) для различных состояний нагнетателя — для исходного, нового, когда его степень сжатия равна £и, и текущего, изношенного, когда £н = £,',.

£и ~ w ; £н ~ W ' (4)

где г]И — исходное значение т]пол по паспортной характеристике; г]'11ПЛ — новое значение rjn0Jl у подвергшейся износу машины.

Выражение для £и решим относительно (Тн2/Тн1), и полученное отношение температур подставим в зависимость для £,',

4 = (еГ5/^'ПОл/°,23В = е^о». (5)

Новое значение политропического КПД т]'иол. согласно вышеизложенному, составляет

Лпол = Ли - Л7?пол • (6)

С учетом этого (5) примет пригодный для практических расчетов вид

< = £И "" • (7)

а искомый «сдвиг» А г кривых £ = / ([(?]Пр) составит

80

Нефть и газ

№ 6, 2015

Д£ = £и - £н .

Или с учетом (7)

Д£ = £и - £и = £и • (1 -£и "" ). (8)

При эксплуатации нагнетателей необходимо располагать не только зависимостями, раскрывающими влияние износа машин на их основные рабочие параметры, но и сведениями о степени такого влияния. Это позволяет ориентироваться в возможностях машин и правильно прогнозировать их дальнейшее использование.

Износ нагнетателей в настоящей работе оценивается по значениям политропического КПД машин. Следовательно, установить степень влияния износа на основные характеристики нагнетателей можно на основе анализа соответствующих аналитических зависимостей, связывающих рассматриваемые параметры машин с их политропическим КПД т]пол. Для степени сжатия нагнетателей такой зависимостью является выражение (5).

Приращение £н, вызванное изменением г]п(1Л. есть первая производная функции (5) по аргументу г]'пол , исходя из которой

„чйт/ч

и „Упал/Уи АЕ'н = (ЫЕи) ■ -а---йГ)'пол= -(1пг.и) ■ — . .

Пи Пи

Относительное изменение £н, выраженное в процентах, составит

= - (1пеи) ■ ± ■ АП'пт ■ 100%. (9)

Пи

Из (9) следует, что изменение £н, вызванное снижением г]пол в результате износа проточной части нагнетателей, определяется не только величиной падения КПД (Д?7*ол), но и первоначальными значениями степени сжатия £и и КПД машин г]И. Причем, с увеличением £и снижение степени сжатия под воздействием износа возрастает.

Оценка изменения £н у нагнетателей с различной степенью сжатия (неполнона-порных и полнонапорных), выполненная по (9), показывает, что падение г]пол на 0,03 (3 %) при исходном его значении 0,85 приводит к снижению £н у не-полнонапорных нагнетателей (£и= 1,25) на 0,79 %, у полнонапорных (£и= 1,55) — на 1,55%.

Такое изменение степени сжатия нагнетателей приводит к падению давления в газовых магистралях на 0,35 кг/м2 и 0,85 кг/м2 соответственно, что равносильно «недопоставке» газа до последующих КС примерно на 1,8 км и 4,5 км, если бы вместо газа транспортировалась несжимаемая капельная жидкость.

Приведенные цифры показывают, что изменение степени сжатия нагнетателей под воздействием износа машин необходимо учитывать, особенно для их полнонапорных вариантов.

Для определения смещения характеристик рн]пр = /([<?]пр) раскроем относительную приведенную внутреннюю мощность [Л^/рн]пр через определяющие ее параметры. Согласно [7],

= (Ю)

где N1 — внутренняя мощность нагнетателя, Дж/с; рн — плотность компримируе-мого газа при 20 "С и 760 мм рт. ст., кг/м3; п'с и п'со — число оборотов ротора нагнетателя при текущем и номинальном режимах работы машины, 1/мин.

—. (11)

ПОЛ

гн1.(4Чши -1):

6, 2015

Нефть и газ

81

где М — массовая производительность компрессорной машины, кг/с; I, — удельная работа по сжатию газа в компрессорной машине, Дж/кг; к — показатель адиабаты для компримируемого газа; гн1 и Дн1 — коэффициент сжимаемости газа при условиях на входе в нагнетатель и газовая постоянная компримируемого газа.

Подставим значение Л^- из (11) в (10) с раскрытием М через произведение объемной производительности нагнетателя при условиях на входе машины и плотности газа при этих же условиях рн1. После сокращения г]пол будем иметь:

е^ = г-О М

В зависимости (12) производительность является аргументом и в рассматриваемой ситуации величиной независимой. На нее техническое состояние нагнетателя влияния не оказывает. Параметры, характеризующие в (12) начальные условия протекания термодинамического процесса сжатия газа, также не зависят от степени изношенности машин. Исключение составляют £н и г]пол. Они, как было установлено, подвергаются изменениям. Поэтому подставим в (12) их текущие значения, соответствующие некоторому износу машин.

<|3)

где [/V,/рн]'пр , £,' и г]'пол — текущие значения параметров, приобретаемые в результате износа машин.

Раскроем степень сжатия ев (13) с помощью (5). В результате этого в (13) возникает параметр £и, стоящий в некоторой степени. В числителе и знаменателе ее содержатся г)'пол. Они взаимно сокращаются и (13) приобретает вид (14).

= (.4.

Из (14) следует, что износ проточной части нагнетателей не оказывает влияния на характеристику [Л/(/рн1пр = /([(?!пр), так как относительная приведенная внутренняя мощность подвергшихся износу машин ^¿/рИ]'П1, равна таковой для машин, находящихся в исходном заводском состоянии — в обоих случаях £н = £и и г]П0Л = г/И при неизменности остальных параметров, определяющих значение |Д-/р„]пр.

Результаты проведенного анализа согласуются с рекомендациями ВНИИгаз [5], согласно которым «...можно принять, что заметный «сдвиг» имеют характеристики т]пол = /([(Лпр) и Л/епр = /(Т2пр). Не имеют «сдвига» характеристики

ШрХр = АМпр) И Вв03Пр = /№пр)...».

В цитируемых рекомендациях ВНИИгаз не упоминается характеристика £ = /([?]пр)- Причиной тому, возможно, является либо отсутствие исследований по данному параметру, либо рассмотрение ВНИИгаз только неполнонапорных нагнетателей, для которых, как показал анализ, заметного «сдвига» характеристик £ = /([(?]Пр). по сравнению с г/пол = /([(?]Пр). не наблюдается.

Анализ зависимости отдельных характеристик нагнетателей вида

>7пол = /([<?]пр), £ = /([<?]пр) И Шрн]пр = /([<?]пр)

от износа машин, отражаемого в значениях политропического КПД нагнетателей г]пол. приводит к следующим выводам:

• Пересчет паспортных приведенных характеристик нагнетателей необходим и требуется после каждого диагностирования машин.

• Пересчету подлежит, в первую очередь, характеристика г]пол = / ([ф]пр),' характеристика £ = /([(?]Пр) — по мере необходимости, в зависимости от практически используемого диапазона степени сжатия нагнетателей и величины наблюдаемых в нем £и.

82

Нефть и газ

6, 2015

• Характеристика [/V,;/рн]пр = /([(?]Пр) пересчету не подлежит.

• Пересчет характеристик г]пол = /([(?]пр) и е = /([(?] пр) выполняется по зависимостям (1), (6) и (7).

Список литературы

1. Доброхотов В. Д. Центробежные нагнетатели природного газа. - М.: Недра, 1972. - 128 с.

2. Перевощиков С. И. Параметрическая диагностика технического состояния центробежных нагнетателей природного газа // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. -2011. -№ 3 - С. 97-104.

3. Перевощиков С. И. Прогнозирование остаточного ресурса центробежных нагнетателей по их энергетическим показателям // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2011. -№ 5 - С. 86-93.

4. Перевощиков С. И. Влияние износа рабочего колеса центробежных нагнетателей на их энергетические показатели // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2012. -№ 1 - С. 87-95.

5. Эксплуатация газопроводов Западной Сибири / Крылов Г. В., Матвеев А. В., Степанов О. А., Яковлев Е. И. - Л.: Недра, 1985. - 288 с.

6. Общесоюзные нормы технологического проектирования. Магистральные газопроводы. Часть 1. Газопроводы. ОНТП 51-1-85. - М.: Мингазпром, 1985.

7. Деточенко А. В., Михеев А. Л., Волков М. М. Спутник газовика. - М.: Недра, 1978. - 311 с.

Сведения об авторе

Перевощиков Сергей Иванович, д. т. н.,

профессор кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)467480

Information about the author Perevoschikov S. I., Doctor of Engineering, professor of the chair «Machines and equipment of oil and gas industry», Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)467480