CC BY
29Машины, оборудование и обустройство промыслов
УДК 621.438:622.691.4.052.006 ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ ПРИРОДНОГО ГАЗА
С. И. Перевощиков
(Тюменский государственный нефтегазовый университет)
Ключевые слова: центробежные нагнетатели, природный газ, техническое состояние, параметрическая диагностика Key words: centrifugal superchargers, natural gas, technical state, parametric diagnostics
Центробежные нагнетатели являются основным средством доставки природного газа от мест его добычи до потребителей. Ответственная роль центробежных нагнетателей (ЦБН) в энергообеспечении многих отраслей экономики теплом и электроэнергией требует повышенного внимания к их техническому состоянию. Оно отслеживается различными способами и средствами. Среди них особое место занимают диагностические методы, в частности, методы параметрической диагностики. К числу наиболее известных и почти приемлемых методик из данного ряда относятся методики, изложенные в работах [1], [2] и [3]. Данные методики позволяют выполнять диагностирование достаточно оперативно и без существенных дополнительных затрат. Однако они, как и прочие, аналогичные им методики, имеют ряд существенных недостатков. Основное из них состоит в низкой точности и в неопределенности выполняемых по ним диагностических выводов. Этот недостаток проистекает из ряда особенностей данных методик.
В качестве примера рассмотрим методику [1]. Первая ее особенность, порождающая недостатки диагностирования по ней, состоит в усложненном двухступенчатом формировании диагностического вывода на основе коэффициента технического состояния нагнетателей Кн = ~цпол / 11полп , где Тпол- фактическое значение политропического КПД нагнетателя; ■q - паспортное значение политропического КПД машины, соответствующее технически исправному состоянию ЦБН. Вторая - в расчете численных значений qnonи qnojln с
ощутимой погрешностью, которая проистекает из невысокой точности исходной для расчета информации, сложной аналитической структуры расчетных зависимостей (касается, в основном, расчета Тпол) и эмпирического характера данных зависимостей. Третьей особенностью методики, приводящей к неопределенности диагностического вывода по ней, является определение коэффициента технического состояния нагнетателей, то есть значений Тпол и Тполж , для условия Q = idem .
Наибольшие недостатки придает рассматриваемой методике ее особенность, состоящая в расчете Кн при условии Q = idem . Согласно данному условию, для определения технического состояния нагнетателей необходимо знать объемную производительность машин Q . Между тем, большинство ЦБН не оснащены устройствами для измерения их производительности Q . Данное обстоятельство существенно сужает область применения рассматриваемой методики, заметно осложняет формирование диагностического вывода и снижает его точность вследствие крайне малой вероятности наблюдать у компрессорных машин почти идентичные производительности в течение более или менее ограниченных по времени эксплуатационных периодов их, для которых производится оценка технического состояния нагнетателей.
Методика, представленная в [2], по используемой для расчета qnon и Кн модели аналогична только что рассмотренной методике [1]. Различие между ними заключается только в численных значениях коэффициентов, составляющих их основу эмпирических зависимостей. Методика ВНИИгаза [3] по используемым в ней расчетным зависимостям отлична от
[1] и [2], но также основывается на Q = idem и эмпирической базе, изобилует промежуточными расчетами, как методики [1] и [2].
Для устранения приведенных выше недостатков, характерных для существующих методик параметрической диагностики технического состояния ЦБН, необходимо разработать методику, в основе которой лежит минимум исходной информации, простые расчетные зависимости и отсутствие необходимости в сведениях о производительности машин. Кроме того, для придания диагностическим выводам определенности методика должна содержать оценку достоверности результатов диагностирования.
Отвечающая данным требованиям методика приводится ниже. В ее основе лежит классическое выражение для определения политропического КПД компрессорных машин:
n -1
n
n
£ ~ 1 п -1 _
Ппол = 21 ---= 21 'Мк ' (1)
--1 -
Т1 к -1
где ^ - коэффициент сжимаемости газа при условиях на входе в нагнетатель; £ - степень сжатия нагнетателя; Т и Т2 - абсолютная температура газа на входе и выходе нагнетателя; п и к - показатели политропы и адиабаты процессов сжатия газа в нагнетателе; £ и Щ -параметры, обобщающие, для простоты, два комплексных сомножителя 2 в (1).
Зависимость (1) получена теоретически, поэтому не в полной мере отражает реальные термодинамические процессы, наблюдаемые в компрессорных машинах. Она объективно не способна учесть особенности, присущие каждому типу машин в отдельности. Поэтому в рамках предлагаемой методики теоретическое выражение (1) адаптируется к реальности
посредством введения в него коэффициента адаптации ка в виде сомножителя при ^:
Ппол = ка ' 21 •£Т ' Щк ■ (2)
Численное значение коэффициента ка находится отдельно для каждого типоразмера машин. Оно определяется по одному из краевых условий, а именно для условия, соответствующего номинальному режиму работы нагнетателей. Такое определение ка осуществимо, так как вся необходимая для этого информация содержится в паспортных характеристиках нагнетателей. При этом через найденные таким образом значения ка учитываются ранее не принятые во внимание, при выводе (1) , нюансы реальных термодинамических процессов и особенности каждого типоразмера компрессорных машин, влияющие на процесс сжатия газа в них.
В качестве базы, на основе которой делается диагностический вывод, в предлагаемой методике принят безразмерный комплексный параметр
, (3)
ln
fz . Т V 2 Т2
V z1 Т 7
где z2 - коэффициент сжимаемости газа при условиях на выходе нагнетателя.
Параметром х заменена производительность Q рассматриваемых компрессорных машин, используемая для этих же целей, то есть как база для получения диагностического вывода, в методиках [1], [2] и [3].
Определенность диагностическому выводу придается из-за использования в предлагаемой методике программного продукта Microsoft Excel, с помощью которого производится
обработка результатов расчета Т]пол и х, полученных на основе эксплуатационных данных
для нескольких режимов работы ЦБН в некоторый интересующий период времени. В результате данной обработки получается аппроксимирующая зависимость вида г/пол = f (%) и ее достоверность Я2 .
Непосредственное формирование диагностического вывода производится сравнением Тпол о , то есть политропического КПД нагнетателя при его оптимальной подаче, рассчитанного по ранее полученной аппроксимирующей зависимости, с Тпол п - паспортным значением политропического КПД нагнетателя при той же подаче. При таком способе получения диагностического вывода критериальный диагностический параметр Тполп не рассчитывается в каждом отдельном случае, как в методиках [1], [2] и [3], а принимается без расчета по паспортным данным машин. Поэтому в предлагаемой методике Тиол п содержит минимальную погрешность, является постоянным и в равной мере приемлемым для всех случаев диагностики данного типоразмера ЦБН по Тпол . Минимальная погрешность
Тпол п в рассматриваемом случае обеспечивается тем, что паспортные значения параметров машин получают в идеально возможных стендовых условиях. При таком подходе формирование диагностического вывода производится без использования ранее отмеченного коэффициента Кя, приводящего к повышению погрешности диагностического вывода.
Безразмерный комплексный параметр х введен в предлагаемую методику в качестве базы для выполнения диагностических операций не случайно. Его введение обосновано известными положениями термодинамики, согласно которым
k -1 n ...
Тпол = —,---7 . (4)
k n -1
Подставим в (4) вместо общего обозначения показателя политропы n его действительное среднее значение для рассматриваемого термодинамического процесса. Для этого воспользуемся также известным соотношением:
lne lne
ln ^ lnL. ^
V2 I Z2-T2
где численные значения всех параметров для получения среднего значения показателя политропы термодинамического процесса, происходящего в рассматриваемой компрессорной машине, принимаются по приборам, установленным на данной машине.
После подстановки (5) в (4), выполнения простейших алгебраических преобразований и подстановки вместо показателя адиабаты k его численного значения, принятого в газовой промышленности для природного газа в размере 1,3072, получим
ТП0л = 0,235. = 0,235-Г (6)
ln| ^
I Z1 • T1
Таким образом, существование зависимости qnoll = f (%) подтверждается классическими положениями теоретической термодинамики. Это дает основание использовать ее для обработки эксплуатационных данных с помощью программного продукта Microsoft Excel.
Предлагаемая методика в целом состоит в последовательности следующих действий.
1. Определяется температура газа на выходе нагнетателя при оптимальном режиме работы машины, соответствующая технически исправному состоянию ЦБН - T .
При отсутствии данных по T численное значение ее рассчитывается по известному значению температуры газа на входе компрессорной машины T , степени сжатия нагнетателя в0 и по политропическому КПД ЦБН - Тпол о . Значения всех перечисленных параметров берутся для технически исправного состояния нагнетателей и оптимальных режимов их работы:
0,235
T = T • с Тпол.о П\
T20 = T10 с0 , (7)
где коэффициент 0,235 есть результат отношения к — 1/, принятый в таком размере в соот-
/к
ветствии с «Нормами технологического проектирования магистральных газопроводов».
п—1
е п — 1
Когда значение Т^о рассчитывается по (7), отношение _ в (1) обращается в
Т2 — 1
единицу и выражение (2), вытекающее из (1), приобретает вид
Ппол = ка'2\ -Як ■ (8)
2. Рассчитывается коэффициент адаптации теоретической зависимости (1) к реальному процессу сжатия газа, происходящему в нагнетателе ка . Для этого выражение (8) с учетом (1) записывается для оптимального (расчетного) режима работы машины, указанного в паспорте или на приведенной характеристике ЦБН, и решается относительно ка '.
(.
ln
> = -- = 4,255 _ Лпол.о.__
а 710 'sTO'NKO zw
7 T ^ z20 '120 T20
^10 ' T10 J T,0
lnP0 n—1
P n P0
-1
, (9)
-1
где zw и z2q— коэффициенты сжимаемости газа при условиях на входе и выходе нагнетатель при оптимальном режиме его работы.
3. Находятся фактические значения Т] по выражению (1) с учетом ka для текущих режимов работы ЦБН, вовлеченных в процесс диагностирования:
n-1
^ , ine s n -1 Тпол = 0,235 • ka-Zi—7--Ts-^f-■ (10)
inl ^ I т-2-1
7T ) T1
4. Рассчитываются значения безразмерного параметра /, идентифицирующего термодинамический режим работы ЦБН, для каждого вовлеченного в процесс диагностирования режима работы нагнетателя. Для этого используется зависимость (3).
5. Выполняются действия для получения функции, аппроксимирующей зависимость:
Л пол = f (X). (11)
Для этого заполняется таблица Microsoft Excel, в которой аргументом является параметр X, а функцией - рассчитанные значения политропического КПД. Затем выполняется построение диаграммы с добавлением линии тренда и показом на диаграмме аппроксимирующего уравнения и достоверности аппроксимации R2 .
При выборе вида аппроксимирующей зависимости из всех их разновидностей, предлагаемых компьютером, выбирается зависимость линейного вида в соответствии с выражением (6), являющимся базовым для рассматриваемой методики.
6. Находится фактическое значение политропического КПД, соответствующего оптимальному режиму работы нагнетателя Цполю. Для этого по (3) рассчитывается безразмерный параметр х для оптимального режима работы нагнетателя Xo . Полученное значение параметра х0 подставляется в формулу (11) и по ней определяется искомое значение политропического КПД.
7. Производится оценка технического состояния нагнетателя. Она состоит в сравнении Чгюл.о с паспортным политропическим КПД машины, соответствующим оптимальному режиму работы технически исправного нагнетателя цпол . о.
На основе представленной методики выполнено диагностирование технического состояния нескольких типов нагнетателей. При этом апробация методики проводилась на пред-
ставителях почти всех разновидностей ЦБН, находящих применение в газовой промышленности - на неполнонапорных и полнонапорных машинах, на нагнетателях с одно- и двухступенчатым сжатием (с одним и двумя рабочими колесами соответственно), на ЦБН, входящих в состав различного типа газоперекачивающих агрегатов (ГПА), таких как ГПА стационарного исполнения, агрегаты на базе авиационных и судовых двигателей, импортные ГПА (табл. 1).
Таблица 1
Нагнетатели, вовлеченные в апробирование предлагаемой методики
Тип нагнетателя Характеристика нагнетателя Тип ГПА
Количество рабочих колес Развиваемый напор
370-18-1 1 Неполнонапорный ГТК 10-4, стационарный
ГПА-Ц-16/76 2 Полнонапорный ГПА-Ц-16/76, авиационный
RF2BB-30 2 Полнонапорный Каберра-182, импортный
Результаты расчетов по предлагаемой методике приведены (рис. 1-3).
Цпол 0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
Г
\м!
А
П = 0,320^ -0,270
, R2 = 0,998 .1.1.
2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 Хо
Безразмерный параметр %
а)
2,5 2,7 2,9 3,1 3,3
3,5 %о
Безразмерныш параметр % б)
Рис. 1. Определение технического состояния нагнетателя типа 370-18-1: а) по предлагаемой методике; б) по методике [1]
Безразмерный параметр%
Рис. 2. Определение технического состояния нагнетателя ГПА-Ц-16/76
tjnojl 0,85
методика [1] rç = 0,302X" 0,232 RJ= 0,995
0
0
•2-
0,6
0,55
- предлагаемая методика T] = 0,227^-0,002
R2 = 0,987
0,5 -•-1-'-1-•-1-•-'-■-1-•-'-•--.jl|.-
2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 ; 3,6
Безразмерный параметр % Рис. 3. Определение технического состояния нагнетателя ЯГ2ББ-30
Анализ представленных результатов исследований (см. рис. 1-3) позволяет сделать несколько выводов.
Первый из них касается производительности нагнетателей Q, которая в настоящее время служит базой, на основе которой выполняются диагностические действия по определению технического состояния центробежных нагнетателей [1], [2], [3]. Производительность, которая в большинстве случаев бывает неизвестной, может быть заменена комплексным безразмерным параметром х, численное значение которого легко определимо. Данный параметр находится по показаниям основных штатных приборов, которыми в обязательном порядке оснащены все машины рассматриваемого типа. Правомерность замены Q на X доказывается основными положениями термодинамики, представленными в работе зависимостью (6), и реальным существованием функциональной зависимости вида цпол=А(х) (см. рис.1-3). Как видно, полученные по эксплуатационным данным различных ЦБН аппроксимирующие выражения, как и (6), являются линейными функциями. Они представляют такую же функцию, что и (6), но только смещенную относительно осей координат в той или иной степени в зависимости от масштабов изменения проточной части нагнетателей под воздействием различных эксплуатационных факторов. Зависимость цпол=^х) наблюдается не только в случае определения цпол по предлагаемой методике, но и в том случае, когда цпол находится совершенно независимым от комплекса х способом - по методике [1]. Это является дополнительным, весомым, подтверждением сделанного вывода о возможности и обоснованности замены Q на X.
Отказ от производительности нагнетателей Q, как базы для выполнения диагностических операций, и замена ее на параметр х не только возможен, но и необходим, так как с осуществлением такой замены значительно расширяется область применения методов параметрической диагностики нагнетателей. В этом случае их можно использовать повсеместно, а не только для машин, оснащенных специальными средствами по замеру расхода газа через них.
Кроме того, все отмеченное позволяет считать безразмерный комплексный параметр х термодинамическим режимным параметром центробежных нагнетателей, отражающим в обобщенном виде особенности протекания термодинамических процессов в проточной части нагнетателей в зависимости от технологических режимов их работы.
Второй вывод, вытекающий из результатов выполненных исследований, состоит в возможности оценки по предлагаемой методике достоверности диагностических выводов. Использование для обработки результатов расчета цпол и х, полученных на основе обычных эксплуатационных данных для нагнетателей, установленных на рядовых компрессорных станциях, программного продукта Microsoft Excel позволяет оценить достоверность диагностических выводов (см. рис.1-3). Эта достоверность R2, несмотря на то, что исходная информация не отвечает необходимым требованиям по точности, содержащихся в ней сведений по численным значениям режимных параметров нагнетателей, достаточно высока и находится в пределах 0,873-0,998 (см. рис.1-3).
Достаточно высокая степень достоверности диагностических выводов, полученных по предлагаемой методике, достигается даже при ограниченном количестве используемых для диагностирования исходных данных по цпол и В рассмотренных случаях количество этих данных составляло от пяти до девяти. Данное обстоятельство делает предлагаемый метод диагностирования перспективным, так как позволяет на его основе выполнять диагностирование даже при ограниченной исходной информации, что особенно важно в условиях производства, в которых находится большинство единиц компрессорной техники.
Третий вывод, который можно сделать (см. рис.1-3), относится к сравнительной оценке рассмотренных в работе методик. Это, в первую очередь, касается предлагаемой методики и методики, изложенной в [1]. Согласно рисункам и приведенным на них аппроксимирующим зависимостям, обе методики дают примерно одинаковый результат по определению основного, для формирования диагностического вывода, параметра Тпол.о. (табл. 2).
Таблица 2
Расчетные значения КПД, полученные по аппроксимирующим зависимостям методик
Тип нагнетателя Паспортное значение КПД ^пол.п. Расчетное значение КПД Tnm.d.
Предлагаемая методика Методика [1]
370-18-1 0,850 0,831 0,886
ГПА- Ц- 16/76 0,850 0,823 0,832
RF2BB-30 0,812 0,787 0,818
Однако в двух из трех рассмотренных случаев, методика [1] дает значения Тпол.о., превышающие, а в одном случае - существенно превышающие, соответствующие паспортным значениям КПД Тпол.п., что физически наблюдаться не может. Поэтому при выборе
методики для расчета ^пол, когда выполняется параметрическая диагностика технического состояния нагнетателей с использованием параметра х и Microsoft Excel, рекомендуется отдавать предпочтение предложенной в данной работе методике расчета численного значения данного параметра.
Выводы
1. Существующие способы параметрической диагностики технического состояния центробежных нагнетателей базируются на использовании текущей информации о данных машинах, взятой из оперативных эксплуатационных журналов нагнетателей, а также на сведениях о производительности нагнетателей. Последнее обстоятельство существенно сужает область применения рассматриваемых методов диагностики, так как большинство компрессорных машин не оснащено средствами для измерения расхода газа через них. Опора на текущую эксплуатационную информацию, не предназначенную для выполнения на ее основе каких-либо аналитических действий, придает результатам диагностирования на ее основе низкую точность. Сами, используемые в настоящее время, методы параметрической диагностики не позволяют оценивать точность и достоверность получаемых диагностических выводов.
2. Предложенный в работе метод параметрической диагностики технического состояния нагнетателей лишен отмеченных недостатков. Он позволяет:
• обходиться при диагностировании без сведений о производительности нагнетателей, что делает область применения данного метода почти неограниченной;
• использовать для диагностирования в качестве исходных данных текущую эксплуатационную, низкокачественную по точности, информацию без потери точности определения диагностируемого параметра;
• обходиться ограниченной исходной информацией для формирования диагностического вывода, что делает данный метод приемлемым почти в любой производственной ситуации;
• оценивать достоверность полученного диагностического вывода на основе современных достижений в области компьютерного программирования.
3. Рассмотренный в работе параметр х можно считать термодинамическим режимным параметром центробежных нагнетателей, отражающим в обобщенном виде особенности протекания термодинамических процессов в проточной части нагнетателей в зависимости
от технологических режимов их работы. . Список литературы
1. Эксплуатация газопроводов Западной Сибири / Г. В. Крылов. А. В. Матвеев, О. А. Степанов, Е. И. Яковлев.- Л.: Недра, 1985.-288с.
2. Повышение эффективности эксплуатации энергопривода компрессорных станций / Б. П. Пор-шаков, А. С. Лопатин, А. Н. Назарьина, А. С. Рябченко.- М.: Недра, 1992.
3. Казаченко А. Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов.- М.: Нефть и газ, 1999.- 463 с.
Сведения об авторе
Перееощикое Сергей Иванович, д. т. н., профессор, кафедра «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452) 46-74-80
Perevoschikov S. I., Doctor of Technical Sciences, professor, Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452)46-74-80
УДК 669.017.11
РАЦИОНАЛЬНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ И МОДИФИЦИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ Al-Cu-Mg-Mn И Al-Zn-Mg-Cu
В. М. Замятин, С. В. Грачев, М. А. Гриненко, О. П. Московских, В. С. Мушников, Н А. Зайцева
(Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург)
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, механические свойства, рациональное легирование Key words: aluminum alloys, mechanical properties, efficient alloying
Алюминиевый сплав Д16 (2024 по обозначению Алюминиевой Ассоциации США ) системы Al-Cu-Mg-Mn и ряд других алюминиевых сплавов широко применяются для производства полуфабрикатов в виде штамповок, листов, а также труб переменного сечения, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин [1]. Из-за агрессивных условий работы трубы часто разрушаются вследствие их низкого сопротивления коррозии. Сопротивление полуфабрикатов из сплава Д16 различным видам коррозии в значительной степени зависит от их микроструктуры: наличия фаз кристаллизационного происхождения и фаз, выделившихся при термообработке, цепочек нерастворимых соединений и других особенностей [2].
В связи с этим вопрос оптимизации химического состава многокомпонентных алюминиевых сплавов на основе системы Al-Cu-Mg-Mn, предназначенных для изготовления полуфабрикатов с требуемыми структурой и свойствами, имеет очень важное значение [3, 4]. Один из подходов к решению этого вопроса основывается на минимизации эффективной объемной доли и неоднородности ориентации избыточных фаз в полуфабрикатах [3]. Указанный подход не учитывает состава фаз и матрицы сплавов, что не позволяет в полной мере оптимизировать состав сплавов по содержанию легирующих и примесных элементов.
В данной работе для оптимизации химического состава многокомпонентных алюминиевых сплавов предлагается подход, основанный на результатах термического и микрорентге-носпектрального анализа сплавов в закаленном или состаренном состояниях.
Для модифицирования многокомпонентных алюминиевых сплавов все шире начинают применяться лигатурные прутки Al-5%Ti-1%B и Al-3%Ti-0,15%C. Однако вопрос об оптимальном расходе этих лигатур при непрерывном модифицировании алюминиевых сплавов в процессе полунепрерывного литья слитков пока не решен. Это обстоятельство потребовало дополнительных исследований процесса модифицирования алюминиевых сплавов вышеуказанными лигатурами.
Объектами исследования служили образцы промышленных алюминиевых сплавов Д16 на основе системы Al-Cu-Mg-Mn и 7050 на основе системы Al-Zn-Mg-Cu. Образцы вырезали из литых и гомогенизированных плоских слитков поперечным сечением 300х1100 и 400х1320 мм, а также из термообработанных толстых плит.
