Оценка изменения технического состояния осевого компрессора газотурбинного двигателя в процессе эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА

УДК 621.45.02

А.Ю. Федосеев1, e-mail: artemyfed@yandex.ru; А.Ф. Калинин2, e-mail: kalinine.a@gubkin.ru

1 ООО «Газпром трансгаз Москва» (х. Высоконские Дворы, Курская обл., Россия).

2 ФГБОУ ВО «РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).

Оценка изменения технического состояния осевого компрессора газотурбинного двигателя в процессе эксплуатации

Газотурбинные двигатели (ГТД), работающие в составе газоперекачивающих агрегатов (ГПА), на данный момент являются основным видом привода в газовой промышленности. Их правильная и эффективная работа определяет энергоемкость магистрального транспорта природного газа. Основной причиной снижения технического состояния работы ГТД в межремонтный период является загрязнение проточной части осевого компрессора (ОК). Авторами статьи выделен ряд параметров работы ГТД и газотурбинной установки (ГТУ) в целом, при анализе которых легко выполнить качественную оценку технического состояния ОК. К ним относятся: относительная частота вращения ротора ОК, относительная степень повышения давления в ОК, коэффициент технического состояния ГТУ по эффективной мощности, относительная температура рабочего тела перед силовой турбиной и коэффициент технического состояния ГТУ по расходу топливного газа. Анализ перечисленных параметров работы газотурбинного двигателя НК-16СТ и ГТУ, работающих в составе газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16, в интервале времени от капитального ремонта в заводских условиях и до 1,5 тыс. ч позволили определить закономерность изменения контролируемых параметров. На основании этого был предложен универсальный способ определения качества очистки проточной части ОК по любому из контролируемых параметров. Использование этого метода позволит прогнозировать изменение параметров работы ГТУ на всем протяжении ее эксплуатации; определить оптимальную периодичность и вносить коррективы в периодичность промывок, а также оценить экономический эффект, получаемый в результате данного вида технического обслуживания. Предложенный метод универсален и легко адаптируется к другим типам ГТД в составе ГПА.

Ключевые слова: транспорт газа, газоперекачивающий агрегат, газотурбинный двигатель, осевой компрессор, очистка проточной части осевого компрессора, параметры работы ГТУ.

A.Yu. Fedoseev1, e-mail: artemyfed@yandex.ru; A.F. Kalinin2, e-mail: kalinine.a@gubkin.ru

1 Gazprom transgaz Moscow LLC (the Kursk Region, Russia).

2 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Moscow, Russia).

Technical State Changes Evaluation of the Gas Turbine Engine Axial-Flow Compressor During Operation

Nowadays gas turbine engines as a part of gas-compressor unit are the main type of actuators for gas transportation industry. Their correct and efficient operation defines energy consumption for natural gas trunk pipeline transportation. The main reason for the gas turbine engine technical state reduction during the overhaul period is the contamination of the axial-flow compressor air-gas channel.

The authors of this paper have highlighted a number of operating parameters for the gas turbine engine and gas turbine unit, analyzing which it is easy to perform a qualitative assessment of the axial-flow compressor technical state. They are: the relative rotation frequency of the axial-flow compressor rotor, the relative pressure ratio in the axial-flow compressor, the coefficient of technical state of gas turbine unit for effective power, the relative temperature of the actuating medium before the power turbine and the coefficient of technical state of gas turbine unit for consumption of fuel gas. The analysis of these parameters for the gas turbine engine NK-16ST and gas turbine unit as a part of gas-compressor unit GPA-C-16, during the time period from the rebuilding on a factory basis and up to fifteen hundred hours, allows to determine the regularity of changes in the monitored parameters.

For reasons given the universal method to determine the quality of cleaning of the axial-flow compressor air-gas channel using one of the monitored parameters was suggested. Using this method allows to forecast the change in the operating

conditions of the gas turbine engine during the operation time; to determine the optimal frequency of cleaning and amend to the time intervals between axial-flow compressor cleaning; to estimate the economic effect resulting from the chosen type of maintenance. The proposed method is universal and can be easily adapted to other types of gas turbine engines of gas-compressor units.

Keywords: natural gas transportation, gas-compressor unit, gas turbine engine, axial-flow compressor, the air-gas channel cleaning of the axial-flow compressor, gas turbine engine operation parameters.

Эффективностью работы ГТУ, работающих в составе ГПА, определяется энергоемкость магистрального транспорта природного газа. Снижение уровня технического состояния основных узлов ГТД приводит к изменению выходных энерготехнологических показателей газотурбинных ГПА. Так, одной из причин снижения энергетической эффективности работы ГТУ является загрязнение проточной части ОК газотурбинного двигателя. Загрязнение проточной части ОК приводит к снижению эффективности процесса сжатия в нем воздуха и, как следствие, к падению располагаемой мощности и эффективного КПД ГТУ, росту расхода топливного газа, уменьшению расхода воздуха через ОК, приближая его рабочую точку к границе неустойчивой работы. Загрязнение проточной части ОК -сложный процесс, оказывающий влияние на работу всех элементов ГТД, включая камеру сгорания и турбины. Прямая качественная оценка загрязнений невозможна из-за труднодоступно-сти элементов двигателя. Единственной возможностью оценить техническое состояние проточной части ОК является анализ косвенных параметров, характеризующих работу ГПА. Ухудшение технического состояния ОК уменьшает количество воздуха, поступающего в двигатель. Поскольку данный параметр не отслеживается штатной системой автоматики ГПА, оценить его сложно. Для компенсации потерь от снижения расхода воздуха ротор ОК начинает вращаться с большей скоростью. Таким образом, количество воздуха, поступающего в двигатель, напрямую связано с частотой вращения ротора ОК.

Поэтому первым параметром, по изменению которого можно определить состояние газовоздушного тракта ОК, является относительная частота вращения ротора ОК.

Для ГТД с двухкаскадным ОК, включающим компрессор низкого давления (КНД) и ОК высокого давления (КВД), приводимых в движение турбинами низкого и высокого давления (ТНД и ТВД), необходимо оценивать относительную частоту вращения валов КНД и КВД. Относительная частота вращения ротора осевого КНД определяется следующим образом [2]:

вд "Jt

(2)

где "вд и пвд0

"»'"J Т'

(1)

действительная и номинальная частоты вращения ротора осевого КВД, об/мин. В результате загрязнения лопаток ОК сжатие газа в нем будет происходить с меньшей эффективностью, что вызывает снижение давления воздуха на выходе ОК.

Вторым параметром, используемым для контроля технического состояния проточной части ОК, является относительная степень повышения давления воздуха в ОК [2]:

где пНД и пНД0 - действительная и номинальная частоты вращения ротора КНД, об/мин; 7"вх0, Твх - значения температуры воздуха на входе в ОК при стандартных станционных и действительных условиях, 7 „ = 288 К, Те 7 + 5, К; 7 -

вх0 вх о.с. о.с.

температура атмосферного воздуха, К. Относительная частота вращения вала КВД определяется из следующего соотношения:

лк

(3)

где яК и яК0 - действительная и номинальная степени повышения давления воздуха в осевом компрессоре. Стоит отметить, что аналогичным параметром по информативности является относительная температура воздуха на выходе осевого компрессора

к TJ

(4)

ко

Ссылка для цитирования (for citation):

Федосеев А.Ю., Калинин А.Ф. Оценка изменения технического состояния осевого компрессора газотурбинного двигателя в процессе эксплуатации // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 7-8. 112-117.

Fedoseev A.Yu., Kalinin A.F. Technical State Changes Evaluation of the Gas Turbine Engine Axial-Flow Compressor During Operation (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 7-8, P. 112-117.

ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА

Ï 1.05

¡.04 1.03

200 400 600 600 1000 1200 1400

Наработка ГТУ, ч GTU's running time, hours

Рис. 1. Зависимость относительной частоты вращения КНД ГТД НК-16СТ от наработки агрегата

Fig. 1. Dependence of the relative rotation speed of a low-pressure compressor (LPC) of a gas turbine engine (GTE) НК-16СТ on the running time of a gas transport unit

Рис. 2. Зависимость относительной частоты вращения КВД ГТД НК-16СТ от наработки агрегата

Fig. 2. Dependence of the relative rotation speed of the high-pressure compressor (HPC) of the GTE НК-16СТ on the running time of the unit

где ТК - действительная температура воздуха на выходе ОК; ТК0 - номинальное значение температуры воздуха на выходе ОК [2],

Т =Т •—•(и 'ко V? W '

(5)

N

is _ ен пр

(6)

тельная эффективная мощность ГТУ на номинальном режиме, приведенная к стандартным станционным условиям (Твх0 = 288 К, ра0 = 760 мм рт. ст.),

N -N -V ;х0-Р"

ен пр ен Т п вх г а

(7)

где Твх - температура воздуха на входе ОК, К; z1 и z2 - коэффициенты сжимаемости воздуха, определяемые из диаграммы; к - средний показатель адиабаты воздуха в процессе сжатия, к ш 1,4; г|к - адиабатный КПД осевого компрессора, принимается для современных осевых компрессоров в диапазоне 0,85-0,87 [1].

Ухудшение технического состояния ОК ведет к перераспределению мощностей между турбинами двигателя в пользу турбин, приводящих во вращение роторы КНД и КВД, что вызывает снижение эффективной мощности двигателя. Третьим параметром, который можно использовать для оценки технического состояния проточной части ОК, является коэффициент технического состояния ГТУ по эффективной мощности, который определяется из соотношения [2]:

Кгг —

в„

В„

(8)

где Ne0 - паспортная мощность ГТУ на номинальном режиме; N - действи-

г e4 пр "

D _ D

ТГНПР тгн"

Ч/ рЛ

нрО.

(9)

где ра0, ра - давление атмосферного воздуха при стандартных станционных условиях и действительное давление атмосферного воздуха. Снижение технического состояния ОК ГТД приводит к увеличению расхода топливного газа на всех режимах работы ГГПА. Это снижение можно оценить с помощью четвертого контролируемого параметра - коэффициента технического состояния ГТУ по расходу топливного газа, который определяется по соотношению [3]:

ВТГ Н - действительный расход топливного газа при номинальном режиме, кг/ч; Онр0 и 0нр - номинальное и действительное значения низшей теплоты сгорания топливного газа, Онр0 г 33500 кДж/м3 [3]. Увеличение расхода топливного газа также приведет и к повышению температуры рабочего тела перед силовой турбиной (СТ). Поэтому пятым параметром оценки технического состояния ОК является относительная температура рабочего тела перед СТ, которая может быть найдена по формуле

t^Ai.L

^СТО ^вх

СТ

(10)

где ТСТ0 и ТСТ

где ВТГ0 - расход топливного газа в ГТД, находящемся в идеальном техническом состоянии при номинальном режиме, - определяется либо по результатам заводских теплотехнических испытаний ГТД, либо из паспорта агрегата, кг/ч; ВТГ Н ПР - приведенный действительный расход топливного газа на номинальном режиме работы ГГПА,

значения номинальной паспортной и действительной температуры рабочего тела перед силовой турбиной, К.

Можно выделить и другие параметры, позволяющие оценить состояние проточной части ОК, например адиабатный КПД процесса сжатия воздуха в ОК, эффективный КПД ГТУ и др., но, как уже было показано на примере температуры воздуха за ОК, данные параметры легко выводятся из перечисленных ранее и малопригодны для анализа, так как не нормируются приемосдаточными испытаниями ГТД.

Наработка ГТУ, ч GTU's running time, hours

Рис. 3. Зависимость относительной степени повышения давления воздуха в ОК ГТД НК-16СТ от наработки агрегата

Fig. 3. Dependence of the relative degree of the air pressure increase in an axial compressor (AC) of the GTE НК-16СТ

Рис. 4. Зависимость относительной температуры рабочего тела перед СТ ГТД НК-16СТ от наработки агрегата

Fig. 4. Dependence of the relative temperature of a working body in front of a work turbine (WT) of the GTE НК-16СТ on the running time of the unit

Рассмотрим изменение перечисленных параметров на примере газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16, оснащенного газотурбинным двигателем НК-16СТ. Характер изменения относительных параметров работы ГТД НК-16СТ и ГТУ в целом, определенный в результате ежедневного анализа работы двигателя начиная с момента установки после капитального ремонта в заводских условиях в течение 1400 ч (рис. 1-6), показывает, что эти изменения с определенной степенью точности в интервалах между промывками могут быть представлены в виде линейной зависимости

Щ = K(to) + k.t, (11)

где K(t0) - значение контролируемого параметра после предыдущей промывки; k - коэффициент наклона зависимости контролируемого параметра от времени, ч-1; t - время от последней промывки, ч.

Для газотурбинной установки, оснащенной ГТД НК-16СТ и работающей в составе газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16, в результате обработки и обобщения эксплуатационных данных были получены численные значения коэффициентов в формуле по определению всех рассмотренных относительных параметров работы ГТД

НК-16СТ и ГТУ в целом, по изменению которых в зависимости от наработки можно оценить состояние газовоздушного тракта ОК двигателя (соотношение 11). При этом определение всех рассмотренных относительных параметров работы ГТД НК-16СТ и ГТУ в зависимости от наработки агрегата можно проводить по следующим соотношениям:

« = ктнд(у + ^ = = 1,058 + 1,398.10-Ч (11а)

^вдш = ктвд(у + ^ = = 1,032 + 0,816.10-Ч (11б)

кь=к (у+к,*=

= 0,995 - 4,099.10-Ч (11в)

« = КЛ) + М =

= 1,058 + 1,61440-Ч (11г)

Км® = уу + к-Ь =

= 0,964 - 4,705.10-Ч (11д)

Ктг(Ь) = ВД + М = = 1,025 + 0,77Ы0-Ч. (11е)

Анализ полученных зависимостей (11а-е) и рис. 1-6 показывают, что наиболее чувствительными к загрязнению проточной части осевого компрессора газотурбинного двигателя

являются такие характеристики, как относительная степень повышения давления воздуха в ОК ж и коэффициент технического состояния ГТУ по эффективной мощности Кы, так как значения к для этих параметров наибольшие.

Вместе с тем самой информативной выходной энерготехнологической характеристикой ГТУ, определяющей изменение технического состояния проточной части ОК, является коэффициент технического состояния ГТУ по расходу топливного газа КТГ [4]. Пример зависимости значений коэффициента технического состояния ГТУ по расходу топливного газа от наработки для ГПА-Ц-16 с ГТД НК-16СТ представлен на рис. 7.

Необходимо отметить, что в процессе эксплуатации ГГПА наблюдается ухудшение технического состояния ГТУ по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК. Этими причинами могут быть [6]:

• увеличение зазоров между рабочими лопатками и корпусом в проточной части ОК и турбин ГТУ;

• перетоки сжатого воздуха (продуктов сгорания) в статорах ОК и турбин мимо лопаточных аппаратов, а также утечки в атмосферу через концевые уплотнения турбомашин, фланцевые соединения и другие элементы;

ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА

0.9&

200 400 600 800 [ООО 1200 1400

Наработка ГТУ, ч GTU's running time, hours

Рис. 5. Зависимость коэффициента технического состояния ГТУ, оснащенной ГТД НК-16СТ, по эффективной мощности от наработки агрегата

Fig. 5. Dependence of the technical condition coefficient of the GTU of the GTE НК-16СТ by effective power on the running time of the unit

1000 1200 1400

Наработка Г ТУ, ч GTU's running time, hours

Рис. 6. Зависимость коэффициента технического состояния ГТУ, оснащенной ГТД НК-16СТ, по расходу топливного газа от наработки агрегата

Fig. 6. Dependence of the technical condition coefficient of the GTU of the GTE НК-16СТ by fuel gas consumption on the running time of the unit

• ухудшение технического состояния лопаточных аппаратов (забоины, эрозия, коробление, коррозия и другие повреждения);

• увеличение неравномерности температурного поля за камерой сгорания;

• подогрев воздуха на входе ОК;

• увеличение гидравлического сопротивления всасывающего и выхлопного трактов ГТУ.

Как видно из рис. 7, зависимость снижения технического состояния ГТУ по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК, также можно представить линейным уравнением

КТГ(тс ГТУ)(t) = КТГ(У + кТГ(тс ГТУ)^

где кТ,

(12)

"ТГ(тс ГТУ) = - коэффициент наклона кривой зависимости изменения

КТС ГТУ по расходу топливного газа от

времени по причинам, не связанным с

загрязнением проточной части ОК, ч-1

(рис. 7).

Зависимость снижения технического состояния ГТУ по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК, при использовании любого /-го рассматриваемого параметра оценки технического состояния ГТУ может быть представлена в следующем виде:

где К;(£0) - значение /-го контролируемого параметра после предыдущей промывки; кКтс ГТУ) - коэффициент наклона зависимости изменения /-го контролируемого параметра ГТУ от времени по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК, ч-1; £ - время от последней промывки, ч.

Знак (+) в соотношении (13) следует использовать, если в качестве контролируемых параметров ГТУ используются значения относительной частоты вращения КНД и КВД, относительной температуры рабочего тела перед СТ ГТД и коэффициент технического состояния ГТУ по расходу топливного газа,

m

se" с

132 000

134 000

136 000

138 000 140 000

142 000

Наработка ГПА, ч G^'s running time, hours

K(mcГТУ)Ш = Ш ± VГТУ)<

(13)

Рис. 7. Зависимость значений коэффициента технического состояния ГТУ, оснащенной ГТД НК-16СТ, по расходу топливного газа КТГ от наработки:

■ - результаты обработки характеристик теплотехнических испытаний ГПА до и после промывок ОК, а также между промывками (the processing results of the characteristics of heat-engineering tests of the GCU, before and after cleanings of the AC, and between cleanings); — - аппроксимация результатов теплотехнических испытаний ГПА после промывок (1) и между промывками на ХП (2) (approximation of the results of heat-engineering tests of the GCU after cleanings (1) and between cleanings with dry motoring (2)).

Fig. 7. Dependence of the value of the technical condition coefficient of the GTU of the GTE НК-16СТ by fuel gas consumption КТГ on the running time

OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE

а знак (-), если в качестве контролируемых параметров ГТУ используются значения относительной степени повышения давления воздуха в ОК ГТД и коэффициент технического состояния ГТУ по эффективной мощности. При этом в качестве критерия оценки эффективности промывки ОК ГТД предлагается относительное изменение контролируемого параметра, произошедшее в результате промывки с учетом изменения технического состояния по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК:

^Г^'^-^О,0^ (14)

/(тс ГТУ У 1МП

где К., . и К., . - значения контроли-

I(до пр) 7(пос пр) г

руемых параметров до и после промывки проточной части ОК, полученные в результате обработки теплотехнических испытаний ГПА; к - коэффициент наклона зависимости контролируемого параметра от времени, ч-1; к1(тс ГТУ) -коэффициент наклона зависимости изменения 7-го контролируемого параметра ГТУ от времени по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК, ч-1; т™ - наработка ГПА от предыдущей промывки, ч. Очевидно, что чем выше значение критерия оценки эффективности промывки проточной части ОК (КЭП), тем более эффективно проведена промывка.

Предложенные способы определения параметров работы ГТУ в интервалах работы между промывками (11) и оценки качества выполненных промывок (14) позволят:

• спрогнозировать изменение параметров работы ГТУ в межремонтный период и в результате проведения очистки проточной части ОК;

• оценить качество очистки проточной части ОК, проанализировать изменение параметров работы ГТУ и скорректировать интервалы времени между очистками;

• определить экономический эффект от промывок ОК ГТД и оценить оптимальную периодичность их проведения с использованием значений изменения коэффициента технического состояния ГТУ по расходу топливного газа в результате промывок и между промывками с учетом снижения технического состояния по причинам,не связанным с загрязнением проточной части ОК [5];

• применить предлагаемые методы к другим типам агрегатов, для чего необходимо иметь параметры работы агрегата до и после промывки ОК ГТД, а также между промывками.

I

Литература:

1. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник для вузов. Т. 2. Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства. М.: Машиностроение, 2008. 365 с.: ил.

2. Калинин А.Ф. Расчет, регулирование и оптимизация режимов работы газоперекачивающих агрегатов. М.: МПА-Пресс, 2011. 264 с.

3. Р Газпром 2-3.5-438-2010. Расчет теплотехнических, газодинамических и экологических параметров газоперекачивающих агрегатов на переменных режимах.

4. Федосеев А.Ю., Калинин А.Ф. Оценка эффективности очистки проточной части осевого компрессора газотурбинного двигателя // Нефть, газ и бизнес. 2016. № 8. С. 30-33.

5. Федосеев А.Ю., Калинин А.Ф. Определение оптимальной периодичности промывки проточной части осевых компрессоров газотурбинных двигателей // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 1-2. С. 108-112.

6. Поршаков Б.П., Калинин А.Ф., Купцов С.М. и др. Энергосберегающие технологии при магистральном транспорте природного газа: Учеб. пособие. М.: Изд. центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2014. 408 с.

References:

1. Inozemtsev A.A., Nikhamkin M.A., Sandratsky V.L. Design Fundamentals of Aircraft Engines and Power Plants: Guidebook for Higher Educational Institutions. Vol. 2: Compressors. Combustion Chambers. Afterburners. Turbines. Output Elements. Moscow, Machine Engineering, 2008, 365 pp. (In Russian)

2. Kalinin A.F. Calculation, Regulation and Optimization of the Operation Modes of Gas Compressor Units. Moscow, MPA-Press, 2011, 264 pp. (In Russian)

3. Gazprom Regulation 2-3.5-438-2010. Calculation of Heat-Engineering, Gas-Dynamic and Environmental Parameters of Gas Compressor Units under Variable Conditions. (In Russian)

4. Fedoseev A.Yu., Kalinin A.F. Assessment of the Cleaning Efficiency of the Flow Part of the Axial Compressor of a Gas Turbine Engine. Neft', gaz i biznes = Oil, Gas and Business, 2016. No. 8, P. 30-33. (In Russian)

5. Fedoseev A.Yu., Kalinin A.F. Establishing the Optimal Cleaning Periodicity of the Flow Part of Axial Compressors of Gas Turbine Engines. Territorija NEFTEGAS = Oil and Gas Territory, 2017, No. 1-2, P. 108-112. (In Russian)

6. Poshakov B.P., Kalinin A.F., Kuptsov S.M., et al. Energy Saving Technologies in Natural Gas Main Pipeline Transport: Workbook. Moscow, Publishing Center of Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2014, 408 pp. (In Russian)

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 august 2017

117