МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

3. Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

• для условий залегания рассматриваемого продуктивного объекта разрушение перфорационных отверстий происходит уже при небольших величинах депрессии и расположены в верхней и нижней частях отверстия;

• при дальнейшем увеличении депрессии зоны разрушений увеличиваются и появляются в горизонтальных частях отверстий;

• появление зон разрушений приводит к трещинообразованию, что в определенной мере способствует увеличению проницаемости перфорационных отверстий и, как следствие, призайбойной зоны скважины.

Список литературы

1. Кашников Ю. А., Гладышев С. В., Попов С. Н., Кашников О. Ю. Изменения фильтрационно-емкостных и физико-механических свойств терригенных коллекторов при продолжительном действии повышенного эффективного давления // Известия Вузов. Нефть и газ. - 2006. - № 1. - С. 25-32.

2. Попов С. Н. Газогидродинамическое моделирование и прогноз продуктивности новых скважин восточного участка АГКМ // Известия вузов. Нефть и газ. - 2005, N° 6. - С. 26-34.

Сведения об авторе

Попов Сергей Николаевич, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории нефтегазовой гидрогеологии, Институт проблем нефти и газа РАН, тел.:(495) 690-33-79, popov@ipng.ru

Popov S. N., Candidate of Technical Sciences, senior scientific worker at Laboratory of Petroleum Hy-drogeology, Institute of Oil and Gas Problems, RAS, phone: (495) 690-33-79, popov@ipng.ru

Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта

УДК 622.692.4

МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

METHOD OF ON-LINE PARAMETRIC DIAGNOSTICS OF GAS-PUMPING AGGREGATE

DURING ITS OPERATION

В. А. Чичугин, С. В. Носков

V. A. Chichugin, S.V. Noskov

ОАО ТрестНефтегазвзрывпромстрой,РеспубликаБашкортостан, г.Уфа,

Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень

Ключевые слова: диагностика, газоперекачивающие агрегаты, эксплуатация, газотурбинная

установка, интегральная оценка, дифференциальная оценка, эффективная мощность,

осевой компрессор

Key words: diagnostics, gas-pumping units, operation, gas turbine, power plant, integral estimate, differential evaluation, effective power, axial-flow compressor

Создание эффективной параметрической диагностики требует решения вопросов, связанных с выбором наиболее информативных термогазодинамических параметров, построением математической модели объекта и оценкой чувствительности (точности) модели параметрической диагностики. Число и вид диагностических признаков определяются видом неисправностей, на выявление которых ориентирована параметрическая диагностика. В то же время одни и те же диагностические признаки могут быть выявлены различными сочетаниями измеряемых параметров [1]. Поэтому методически весьма важно определить такой набор измеряемых параметров, который, с одной стороны, обеспечивал бы максимальную информативность системы параметрической диагностики, а с другой, требовал бы мини-

мальных затрат на установку датчиков, препарировку газотурбинных установок (ГТУ) и т. п. Такой набор измеряемых параметров будем считать минимально достаточным.

В качестве необходимого и достаточного числа измеряемых параметров для оперативного диагностирования технического состояния газоперекачивающего агрегата (ГПА) выбраны, исходя из целей и задач диагностики при эксплуатации, тринадцать штатных замеров

[2,3]: температура наружного воздуха 1 , атмосферное давление Ра , давление воздуха за осевым компрессором (ОК) Р4 , частота вращения вала осевого компрессора высокого давления пКВд и силовой турбины пТВд , температура воздуха на всасе в осевой компрессор ■Ц , температура продуктов сгорания , максимальная температура подшипника с расшифровкой точки (как ограничивающий фактор), давление газа на входе РН1 и выходе

Рн2 нагнетателя, температура газа на входе 1Н1 и выходе 1н2 нагнетателя, расход агрегатом топливного газа Вт.

Одновременно должна фиксироваться наработка ГПА после последнего капитального ремонта для возможности анализа изменения выходных их параметров ГПА во времени. Эти исходные данные являются минимально достаточными и позволяют рассчитать необходимое число различных коэффициентов, с достаточной для эксплуатации полнотой характеризующих технико-экономическое состояние ГТУ и центробежного нагнетателя (ЦБН). На рис. 1 приведена блок-схема турбоагрегата.

Рис. 1. Блок-схема турбоагрегата ГТК-10-4 и измеряемых параметров при проведении термогазодинамической диагностики ГПА и его элементов

Одним из основных показателей работы ГТУ, определению которого уделяется большое внимание, является мощность газоперекачивающего агрегата. Знание мощности газотурбинного агрегата необходимо для определения в процессе эксплуатации технического состояния ГПА, коэффициента загрузки, коэффициента полезного действия (КПД) агрегата, удельного расхода топливного газа.

С учетом этого разработан способ оценки эффективной мощности ГТУ №ГТУ по функциональной зависимости от одного определяющего параметра — избыточного давления воздуха за осевым компрессором Р4. Выбор Р4 в качестве определяющего параметра обусловлен тем, что осевой компрессор потребляет 75-80% мощности ГТУ.

Кроме того, известно, что мощность ГТУ зависит от степени сжатия в осевом компрессоре (ек), отношения температур перед турбиной высокого давления (ТВД) и на входе в осевой компрессор (Т1/Т3), КПД турбины (пт) и компрессора (пк):

яГТУ = /(£к, V ТъЛк' Лш ), (1)

поскольку ек =Р4/Р3, Р4, Т1/Т3, Р1/Р4, ек, Р4, а пт и пк изменяются незначительно при изменении режимов работы ГТУ, то в пределах точности используемых средств измерений:

"ГТУ = / {Р ). (2)

Цель предлагаемого метода — уменьшение трудоемкости и упрощение технологии измерений эффективной мощности газотурбинной установки, а также максимальное упрощение решения поставленной задачи при ее осуществлении с помощью одного штатного контрольно-измерительного прибора, установленного на ГТУ, то есть по одному определяющему параметру — давлению воздуха за осевым компрессором.

Это достигается тем, что из большого числа m ГТУ определенного типа выбирают п агрегатов, имеющих различную наработку с начала эксплуатации, различное техническое состояние, (при этом п^), для которых с помощью известных методов теплотехнических испытаний определяют эффективную мощность на различных режимах загрузки, одновременно на указанных режимах измеряют давление рабочего тела за осевым компрессором и по результатам испытаний строят зависимость:

- АРЧ, (3)

где — эффективная мощность ГТУ; Р4 — давление воздуха за осевым компрессором;

А, Ь — коэффициенты, зависящие от типа ГТУ.

Коэффициенты А и Ь определяют методом интерполяции результатов испытаний (например, методом наименьших квадратов), а эффективную мощность m агрегатов определяют по полученной зависимости.

Погрешность определения мощности предлагаемым способом составляет не более 2-5%. причем с ростом единичной мощности, то есть для более современных ГТУ, погрешность метода уменьшается и достигает не более 2%.

Указанная точность определения эффективной мощности газотурбинных установок по полученной зависимости для п агрегатов позволяет распространить полученную зависимость на m агрегатов, где т >> П .

Номинальная приведенная мощность ГТУ определяется из следующего соотношения:

гр0 р о

т-■ ^+кТ -{т0—т ),

^ р Т2 V 2 2 ПР /

Л

Ме'2 - N

" пр " ГТУ

(4)

т^0 т^0 Т _

где Т 2 , Т 3 — номинальные параметры; Т 2 пр — приведенная температура после турбины

■>о

низкого давления (ТНД), К; Ра и Ра — давление атмосферное и при нормальных условиях соответственно:

Т -Т Т з .

12пр Т 2 гр ; (5)

Т 3

кт^ — коэффициент, учитывающий отклонение приведенной температуры от номинальной, кВт/К;

кТг - Ь-105 ■ Т^5; (6)

Р — атмосферное давление, Ш; Т° — абсолютная температура воздуха перед осевым

компрессором, К; Т — абсолютная температура продуктов сгорания за ТНД, ^ L — коэффициенты.

Коэффициент технического состояния ГТУ по мощности определяются по следующему выражению:

кт - к

к»г„ - к.

N 2

пр

кМ ' д.е , (7)

"0

где N1 — номинальная мощность, ГТУ, кВт; км — поправочный коэффициент, приводящий в соответствие выбранную методику с паспортными данными.

Коэффициент технического состояния ГТУ по КПД определяется из выражения:

1Т_ Лпр_ 2 к1 (1+к1)

кл=Л~ Зкт +1 ■ (8)

Т0 3к2е + 1

Коэффициент технического состояния нагнетателя по политропическому КПД кт равен

Тпол

кл=Л~ ■ (9)

пол

Для контроля за текущим состоянием ГТУ определяем коэффициент полезного действия ГТУ:

= ^бОЫ'гту

Тгту =~о!Г' (10)

где — низшая рабочая теплота сгорания природного газа; ВТ - расход топливного газа агрегатом. Удельный расход топливного газа определяем по зависимости:

Вт

Чтг = ■ (11)

2 ГТУ

Коэффициенты загрузки ГТУ равен

Nе

к =- гту- (12)

кзагр С _ о \ ' ( )

1 -

N • кт

24 о кПе

/3 + 273

^ • к • к

0 кобл ку

где к — коэффициент, учитывающий влияние температуры атмосферного воздуха; к — коэффициент, учитывающий влияние противообледенительной системы;

Кл = 1 при (з > 5; кобл = 0,87 при 1з < 5 .

Для оптимального функционирования системы параметрической диагностики ГПА используется принцип выдачи пользователю информации в автоматическом режиме только по преддефектным агрегатам. В основе этого принципа заложен метод выбора преддефектных агрегатов по отклонениям рассчитанных коэффициентов технического состояния от заданных предельных значений. По всем остальным агрегатам входная информация и результаты ее обработки хранятся в памяти ЭВМ, периодически осредняются и поступают пользователю по запросу.

Определяющие коэффициенты технико-экономического состояния ГПА для выдачи информации в автоматическом режиме таковы:

• коэффициент техсостояния ГТУ по мощности ;

• коэффициент техсостояния ГТУ по КПД кт ;

• коэффициент техсостояния нагнетателя по КПД кТ ;

• коэффициент загрузки ГТУ кзагр .

Так же решены следующие задачи:

• автоматизированный функциональный контроль параметров на технологические допуски;

• выбор способов накопления, хранения и выборки данных памяти ЭВМ, обеспечивающих минимальные затраты памяти на внешних носителях и минимальные затраты труда на реконфигурацию системы и ее наращивание;

• разработка унифицированной формы выходного документа;

• обеспечение возможности ретроспективного анализа состояния преддефектных ГПА.

Оценка работоспособности ГПА по характеристикам дает возможность непосредственно

сопоставлять действительные характеристики с эталонными, выявляя и учитывая их расхождение, которое можно назвать «сдвигом». По величине сдвига можно судить о техническом состоянии, а также об оставшемся ресурсе агрегата или его элементов.

В зависимости от этого можно выделить интегральные методы диагностики (когда выявляется наличие и степень ухудшения состояния агрегата в целом) и дифференциальные (когда может быть выявлен элемент, послуживший причиной изменения состояния ГПА).

Тот или иной сдвиг может быть использован для решения различных задач, в силу чего и построение характеристик целесообразно осуществлять по определенным параметрам для получения максимума возможной информации.

При эксплуатации обычно используют следующие характеристики: для ГТУ

для ЦБН

' пр

для осевого компрессора

TZnp , (BQp ) , щ , Мвпр = f (Nenp ) ; (13)

(N/ Pi )np, Ahnp, 1пол, 4p, = f {Qnp); (14)

ссора

e = f (Mnp, nnp ), щ = f (Mnp, nnp ); (15)

для турбины

S = f (Mnp, nnp); rT = f (Mnp, nnp); (16)

для камеры сгорания

M = f (&общ ). (17)

В настоящее время при интегральной оценке технического состояния по сдвигу характеристик принято использовать коэффициенты, предложенные ВНИИГазом.

Для оценки состояния нагнетателя используется коэффициент, определяемый как отношение фактического и эталонного политропического КПД:

^ЦБН = ~ . (18)

Г

I пол.эт

Оценка состояния ГТУ осуществляется соответствующими коэффициентами по мощности и по эффективному КПД:

k = ■ k = ГеФ riQI

kN = N ; kr=r . (19)

1уеЭТ ЧеЭТ

В выражениях фактические значения рассчитывают по данным текущих замеров, а эталонные величины находят по паспортным характеристикам, M — приведенный массовый

расход.

Блок-схема алгоритма интегральной оценки технического состояния по сдвигу характеристик (метод ВНИИгаза) приведена на рис. 2. Данный алгоритм программно реализован в среде программирования Borland Delphi 7.

Оценка состояния элементов ГПА по приведенным характеристикам затруднена тем, что отсутствует возможность периодического снятия характеристик элементов ГПА при эксплуатации. Поэтому для этих целей целесообразно использовать дифференцированный метод оценки работоспособности элементов ГПА.

Дифференциальная оценка работоспособности элементов ГПА. Как уже отмечалось, оценку технического состояния элементов ГПА удобно проводить, сравнивая эксплуатационные характеристики их элементов с исходными, эталонными. В качестве исходной, например, для турбины, характеристики принимается соответствующая характеристика в начальный период эксплуатации агрегата после ремонта турбины. Комплекс формируется в

виде А = М п 1/2 /б и В = М п 1/2 /(£Щ) . Рабочие точки при А=const и В=const аппроксимируются линейной зависимостью. Погрешность аппроксимации не превышает 3%.

Рис. 2. Блок-схема алгоритма интегральной оценки технического состояния по сдвигу характеристик (метод ВНИИгаза)

Из теории газовых турбин известно, что линии рабочих режимов на характеристиках располагаются в относительной узкой области, что позволяет при некоторых допущениях использовать однопараметрическую зависимость £Т пр = / {Мпр ^ .

Подобный способ представления характеристик лопаточных машин значительно упрощает задачу их построения и удобен при контроле технического состояния элементов ГПА на разных этапах эксплуатации. Для этого по исходной характеристике ОК или ЦБН или аппроксимирующей ее зависимости определяют положение режимной точки и сравнивают ее значение с фактической величиной. Расслоение характеристики свидетельствует об изменении работоспособности самого элемента.

Оценка технического состояния элемента проводится следующим образом. Замеряются режимные параметры: частота вращения валов, соотношение давлений сжатия, температура и расход рабочего тела. Чтобы исключить влияние внешних условий, рассчитываются приведенные значения параметров, комплекс А и КПД.

По исходной характеристике по замеренным значениям 8зам и А находится ппр ^ ,

соответствующее исходному режиму. По разности ппр ^ и ппр ^ можно судить об

изменении частоты вращения ОК или ЦБН.

По характеристикам эффективности определяется исходное значение комплекса В, соответствующее ппр , по которому рассчитывается КПД элемента, который соответствует его исходному состоянию:

_ А

]исх . (20)

При расхождении параметров А и А , В и В в пределах 3% можно считать, что техническое состояние элемента ГПА соответствует его нормальной работоспособности, так как это соответствует максимальной погрешности аппроксимации диагностических характеристик и точности измерения режимных параметров современными контрольно-измерительными приборами. Расхождение этих параметров на величину более 3 % свидетельствует о нарушении нормальной работоспособности элементов оборудования и требует назначения профилактических мероприятий для ее восстановления. Блок-схема алгоритма дифференциальной оценки работоспособности элементов ГПА приведена на рис. 3.

Данный алгоритм программно реализован в среде программирования Borland Delphi 7.

i

Замер режимных параметров, частота вращения валов, соотношение давлений сжатия, температура и расход рабочего тела, КПД

Расчет приведенных значения параметров Расчет комплекса А = М^п^ * 8

I

Расчет исходного значения КПД _А

Б

I

Расчет разницы ме^щ, Т}^ и Т}^

I

Оценка расхождения параметров Ашх и А , и В'

I

Рис. 3. Блок-схема алгоритма дифференциальной оценки работоспособности элементов ГПА

Разница между Т] и Т]зам характеризует происшедшее изменение КПД.

Рассмотрим и проанализируем графические зависимости, отражающие эффективность работы ГПА и его основных элементов.

Изменение кривых на рисунке 4 показывает на наличие зависимости эффективной мощности различных типов ГТУ от давления воздуха за осевым компрессором. Показано, что при возрастании эффективной мощности давление воздуха за ОК также возрастает.

Отметим, что установка ГТ-700-5, при наименьшей эффективной мощности в 3500 кВт, имеет наименьшее давления воздуха за осевым компрессором в 0,1 МПа, а ГТК-25И, при наибольшей эффективной мощности в 26000 кВт, имеет наибольшее давление воздуха за осевым компрессором в 1,1 МПа.

Р4, МПа

1 - ГТ-700-5 2 - ГТ-6-750 3 - ГТ-750-6 4 - ГТК-10-4 5 - ГТК-16 6 - ГТН-16 7 - ГПА-Ц-16 8 - ГТН-25 9 - ГТК-25И

Рис. 4. Зависимость эффективной мощности различных типов ГТУ от давления воздуха за осевым компрессором

Оперативность и достаточная степень точности, особенно при проведении расчетов изменения мощности с применением одной и той же методики, позволяет считать ее вполне приемлемой для оценки эффективной мощности ГТУ в процессе эксплуатации для всего парка эксплуатируемых отечественных ГПА.

Зависимость коэффициента загрузки от эффективной мощности различных типов ГТУ приведена на рис. 5.

Мг-гу_е, КВТ

1 - ГТ-700-5 2 - ГТ-6-750 3 - ГТ-750-6 4 - ГТК-10-4 5 - ГТК-16 6 - ГТН-16 7 - ГПА-Ц-16 8 - ГТН-25 9 - ГТК-25И

Рис. 5. Зависимость коэффициента загрузки ГТУ от эффективной мощности различных типов ГТУ

В условиях увеличения загрузки агрегата, мощность увеличивается (см. рис. 5). Повышение мощности связано с надежностью агрегата. При средней эффективной мощности ГПА в 12500 кВт наибольший коэффициент загрузки в 0,9 имеет установка ГТК-25И, а наименьший 0,42 - ГПА-Ц-16.

Установление норм расхода топливного газа на нужды следует считать одной из важнейших задач оптимизации трубопроводного транспорта. Зависимости удельного расхода топливного газа от эффективной мощности различных типов ГТУ приведены на рис. 6.

NrTy_e, кВт

1 - ГТ-700-5 2 - ГТ-6-750 3 - ГТ-750-6 4 - ГТК-10-4 5 - ГТК-16 6 - ГТН-16 7 - ГПА-Ц-16 8 - ГТН-25 9 - ГТК-25И

Рис. 6. Зависимость удельного расхода топливного газа от эффективной мощности

различных типов ГТУ

Чем больше эффективная мощность, тем меньше удельный расход топливного газа (см. рис. 6). При средней эффективной мощности ГПА в 12500 кВт наименьший удельный расход топливного газа в 0,15 м3/(кВт ч) имеет установка ГТ - 700 - 5, а наибольший удельный расход топливного газа в 0,5 м3/(кВт ч), при той же мощности, имеет установка 9- ГТК-25И.

Вывод

При возрастании эффективной мощности, давление воздуха за ОК также возрастает, причем ГТУ, имеющая наименьшую эффективную мощность, имеет наименьшее давление воздуха за осевым компрессором. При наибольшей эффективной мощности установка имеет наибольшее давление воздуха. Установлено, что при средней эффективной мощности ГПА (12500 кВт) наибольший коэффициент загрузки имеет установка ГТК-25И, а наименьший — ГПА-Ц-16, при средней эффективной мощности ГПА наименьший удельный расход топлива газа имеет установка ГТ-700-5, а наибольший расход — ГТК-25И.

Список литературы

1. Никонова И. А., Шепель В. Т. Технико - экономическая эффективность авиационных ГТД в эксплуатации. - М.: Машиностроение, 1987. - 200 с.

2. Иванов В. А., Яковлев Е.И. и др. Повышение эффективности работы трубопроводных магистралей. - М.: ВНИИОЭНГ, 1993. - 320 с.

3. Яковлев Е. И., Иванов В.А., Крылов Г.В. Системный анализ газотранспортных магистралей Западной Сибири. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1989. - 301 с.

Сведения об авторах

Чичугин Василий Анатольевич, ОАО Трест Нефтегазвзрывпромстрой, Республика Башкортостан, Уфа, e-mail: chichugin-va@yandex.ru

Носков Сергей Владимирович, Тюменский государственный нефтегазовый университет, г.Тюмень,e-mail: noskov-sv@yandex.ru.

Chichuguin V. A., OJSC «Trust Neftegasvzryvpromstroy», Republic of Bashkorstan, Ufa, e-mail: chichugin-va@yandex. ru

Noskov S. V. Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen, e-mail: noskov-sv@yandex.ru.