СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ РЕЛЕЙНОЙ САУ ГПА ТИПА ГТК-10-4 И САУ НА БАЗЕ КОНТРОЛЛЕРА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.5

С.В. Земфиров

СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ РЕЛЕЙНОЙ САУ ГПА ТИПА ГТК-10-4 И САУ НА БАЗЕ КОНТРОЛЛЕРА

В статье проведено исследование и анализ системы автоматического управления газоперекачивающим агрегатом типа ГТК-10-4. Даны рекомендации по модернизации системы автоматического управления агрегатом, произведен расчет надежности одного из каналов измерения температуры до и после предложенной модернизации.

Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, система автоматического управления, надежность, аварийный останов, нештатная ситуация.

Газоперекачивающий агрегат (ГПА) является основным силовым агрегатом системы транспорта газа [1], а его бесперебойная работа позволяет обеспечивать транспортировку газа в заданном объеме. Возникающие аварийные остановы (АО) ГПА сокращают время нахождения агрегата в рабочем режиме, вследствие чего уменьшается объем транспортируемого газа. Это неизбежно приводит к экономическим потерям. Следовательно, важным критерием эффективности работы газотранспортной системы является число аварийных остановов газоперекачивающих агрегатов, входящих в состав компрессорной станции (КС), которое должно стремиться к минимуму.

Для обеспечения нормальной эксплуатации ГПА (в частности, ГТК-10-4) оснащается большим числом контрольно-измерительных приборов.

Температура продуктов сгорания до турбины высокого давления ТВД и за турбиной низкого давления (ТНД) измеряется хромель-алюмелевыми термопарами ТХА-2174 с диапазоном измерения от 0 до плюс 900 °С. Температура подшипников агрегата измеряется с помощью медных термометров сопротивления ТСМ-319М с диапазоном измеряемых температур от минус 50 до плюс 120 °С. Аналогичными датчиками измеряется температура топливного и технологического газа, температура воздуха на входе осевого компрессора (ОК), температура масла до и после аппаратов воздушного охлаждения (АВО) масла.

Давление газа на входе и выходе нагнетателя, а также давление топливного газа измеряется с помощью датчиков избыточного давления Метран-150-ДИ. Перепад давления масло-газ и перепад давления на конфузоре измеряется с помощью датчиков разности давлений Метран-150-ДД.

Частота вращения валов турбины измеряется датчиками тахометров. Датчик состоит из постоянного магнита, закрепленного внутри вала турбины, и магнитопровода с катушками, установленными на корпусе [2]. При вращении вала в катушках датчика возникает напряжение, частота которого пропорциональна частоте вращения вала. Сигнал с датчика поступает на вторичный прибор, установленный в ГЩУ.

Каждый агрегат оснащен своей системой централизованного контроля и управления (СЦКУ). Система состоит из агрегатной, неоперативной и релейной панелей. Панели установлены в главном щите управления компрессорной станцией (ГЩУ).

Агрегатная панель представляет собой щит шкафного типа с задней дверью. На лицевой панели щита расположена мнемосхема агрегата со встроенными световыми сигнализаторами, наглядно отражающая положение отдельных узлов и их взаимосвязь по основным технологическим линиям. Около световых символов узлов в мнемосхему вмонтированы ключи управления этими узлами. В верхней части панели размещены световые табло аварийной, предупреждающей и режимной сигнализации. В агрегатную панель также вмонтированы измерительный нормирующий преобразователь Ш932.3 и многоканальный измерительный регистрирующий преобразователь Ш9329КС.

Нормирующий преобразователь Ш932.3 предназначен для измерения частоты вращения роторов ТВД и ТНД и отображения измерений.

Измерительный регистрирующий преобразователь Ш9329КС предназначен для применения в качестве измерительного, регистрирующего и сигнализирующего устройства. Данный прибор имеет три

© Земфиров С.В., 2019.

Научный руководитель: Кузяков Олег Николаевич - доктор технических наук, доцент, Тюменский индустриальный университет, Россия.

канала преобразования и регистрации, к двум из которых подключены термопары, измеряющие температуру продуктов сгорания до ТВД и за ТНД. Третий канал измеряет температуру холодных спаев термопар.

Релейная панель двустороннего обслуживания с задней и передней дверьми смонтирована в щите шкафного типа. На релейной панели установлена аппаратура логической части САУ, построенной на электромагнитных реле типа РП и РМУГ и реле времени типа ЭВ и ВС. В релейной панели также расположен регистрирующий преобразователь (регистратор событий) Ш9329РС. Данный прибор предназначен для регистрации дискретных сигналов, которые формируются после срабатывания определенных электромагнитных реле (сигналы технологической, режимной и аварийной сигнализации).

Неоперативные панели агрегатов выполнены в виде щита шкафного типа с задней дверью. В панели вмонтированы многоканальные измерительные регистрирующие преобразователи Ш9329КС и Ш932.9Д.

Измерительный регистрирующий преобразователь Ш9329КС, установленный в неоперативной панели, обеспечивает связь с датчиками перепада давления на конфузоре, перепада масло-газ системы уплотнения нагнетателя, а также рассчитывает расход топливного газа по измеряемому перепаду давления на сужающем устройстве.

Измерительные регистрирующие преобразователи Ш932.9Д, установленные в неоперативной панели имеют по 16 и 32 канала преобразования и регистрации, в зависимости от модификации конкретного прибора. С помощью этих приборов измеряются следующие параметры: -температура подшипников агрегата (12 точек по каждому агрегату); -температура до и после АВО масла; -температура до и после нагнетателя; -температура топливного газа; -температура воздуха на входе осевого компрессора; -давление на входе и выходе нагнетателя; -давление топливного газа.

Одновременно на дисплее прибора индицируется 3 параметра.

Аварийная защита и сигнализация по помпажу нагнетателя как таковому в системе противоаварийной защиты (ПАЗ) отсутствует, однако сигнализация о помпаже срабатывает в случае возникновения предпомпажного состояния, косвенно определяющегося по перепаду давления на конфузоре. Сигнал с датчика Метран-150-ДД, измеряющего перепад на конфузоре, преобразуется и регистрируется измерительным преобразователем Ш9329КС. Аварийная защита по данному сигналу не срабатывает, он является сигналом к действию для сменного инженера, который, оценив ситуацию, сам принимает решение о дальнейших действиях.

Для поддержания постоянства заданной частоты вращения вала ТНД т/а оснащен регулятором скорости (РС). Регулятор скорости служит для управления открытием стопорного и регулирующего клапанов во время пуска турбины, а также для быстрого их закрытия при срабатывании алгоритма АО агрегата.

РС оснащен механизмом задатчика частоты вращения, посредством которого можно вручную установить необходимую частоту, вращая маховик задатчика. С помощью двигателя регулятора осуществляются основные операции по управлению агрегатом: открытие стопорного клапана и управление регулирующим клапаном для прогрева и нагружения агрегата в процессе пуска и изменение режима его работы. В качестве привода РС используется двигатель постоянного тока ПЛ-062. В результате анализа САУ ГПА был выявлен ряд недостатков, а именно:

- управление механизмом задатчика частоты вращения вала ТНД осуществляется с агрегатной панели, а не с АРМ сменного инженера;

- отсутствие контура автоматического регулирования частоты вращения вала ТНД;

- отсутствие защиты нагнетателей ГПА от помпажа;

- устаревшая система автоматики и противоаварийных защит, построенная на электромагнитных реле и реле времени.

Ввиду того, что для регулирования и управления ГПА используется релейная система автоматики, целесообразно не просто добавить антипомпажное регулирование и контур автоматического регулирования частоты вращения вала ТНД, но и провести полную замену системы автоматики. Релейная автоматика отличается низкой надежностью и примитивным отображением информации, в результате происходят ложные остановы и невыполненные пуски по вине автоматики [3]. В связи с этим предлагается произвести полную замену существующей САУ ГПА на блок регулирования для ГПА типа ГТК-10-4, разработанный компанией НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА». Данный блок выполняет следующие функции:

- автоматический пуск газотурбинного двигателя с ограничением скорости роста температуры за

ТНД, автоматический нормальный останов по программе охлаждения;

- ограничительное регулирование скорости вращения турбин ГТУ, температуры в камере сгорания, давления за осевым компрессором;

- стабилизация и изменение по командам оператора скорости вращения силовой турбины, температуры за силовой турбиной;

- аварийная защита ГПА по основным параметрам;

- антипомпажное регулирование, ограничение давления на выходе нагнетателя и степени сжатия;

- диагностика предпомпажного состояния ЦБН, защита от помпажа путем открытия байпасного клапана, в случае невозможности защиты - аварийный останов ГПА;

- расчет расхода топливного газа, объемной производительности и степени сжатия нагнетателя;

- диагностика износа или загрязнения проточной части газотурбинного двигателя по повышению температуры за силовой турбиной на режиме холостого хода [4].

Блок представляет собой аппаратно-программный комплекс, центральной частью которого является IBM PC совместимый контроллер фирмы FASTWEL и модульная система ввода-вывода. Контроллер дублирован по схеме «горячего» резервирования. В контроллере используется операционная система реального времени QNX. Прикладное программное обеспечение - собственная разработка фирмы-изготовителя. В качестве антипомпажного клапана используется клапан фирмы Mokveld Valves bv, в качестве регулирующего клапана - клапан Amot. Сбор данных о состоянии параметров и режиме работы ГПА будет осуществляться единым блоком с одним дублированным контроллером, а не множеством измерительных и регистрирующих преобразователей. Схема САУ ГПА до предлагаемой модернизации представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема САУ и контроля параметров ГПА до модернизации

Схема САУ ГПА после модернизации представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема САУ и контроля параметров ГПА после модернизации

Такое упрощение системы позволит облегчить поиски неисправностей КИПиА, а также уменьшить число ложных АО, связанных с обрывами линий связи и наводкой в них токов, за счет уменьшения их числа.

Для расчета показателей надежности САУ были рассмотрены две структурные схемы соединений элементов канала измерения температуры продуктов сгорания за ТНД. Первая схема содержит элементы, используемые в системе САУ ГПА в настоящее время, вторая - элементы, которые предполагается использовать в системе после проведения модернизации.

Первая цепочка включает в свой состав термоэлектрический преобразователь ТХА-2174, многоканальный измерительный регистрирующий преобразователь Ш9329КС и АРМ. Структурная схема данной цепочки представлена на рисунке 3.

ТХА-2174 Ш9329КС АРМ

Рис. 3. Схема соединения элементов канала измерения температуры до модернизации

Вторая цепочка включает в свой состав термоэлектрический преобразователь ТХА-2174, двухканальный модуль аналогового ввода сигналов термопар AIM724, программируемый контроллер CPM713-01 и АРМ. Структурная схема данной цепочки представлена на рисунке 4.

ТХА-2174 AIM724 CPM713-01 АРМ

Рис. 4. Схема соединения элементов канала измерения температуры после модернизации Характеристики надежности элементов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Ха рактеристики надежности элементов

Элемент Средняя наработка на отказ ч Интенсивность отказов (X), 10-5 1/ч

ТХА-2174 50000 2

Ш9329КС 50000 2

AIM724 1100000 0,09

CPM713-01 360000 0,28

АРМ 100000 1

Суммарная интенсивность отказов рассчитывается по формуле

Ла = +Л + ••• + А> (1)

где Хп - интенсивность отказов п-го модуля.

Интенсивность отказов канала измерения до модернизации составляет

ЛС1 = 2 • 105 + 2 • 105 +1 • 105 = 5 • 105 час1. (2) Интенсивность отказов канала измерения после модернизации составит

42 = 2 • 10-5 + 0,09 • 10-5 + 0,28 • 10-5 +1 • 10-5 = 3,37 • 10-5 час'. (3)

Среднее время безотказной работы вычисляется по формуле

1

Т Л„ '

р . (4)

Среднее время безотказной работы канала измерения температуры до модернизации составляет

1

-= 20000 часов « 2, 3 года. (5)

Т =

5 • 10-

Среднее время безотказной работы канала измерения температуры после модернизации составит

1

Т^2 =

= 29674 часов « 3,4 года.

(6)

3,37 • 10

Вероятность безотказной работы за время Тср, если принять, что закон распределения отказов экспоненциальный, рассчитывается по формуле

P(t) = е"" (7)

где P(t) - вероятность безотказной работы; Я - интенсивность отказов канала, час-1; t - время, час.

Вероятность безотказной работы за время Тср измерительного канала температуры до модернизации составляет

-0,00005-20000 -

P (t) = е = 0,368. (8)

Вероятность безотказной работы за время Тср измерительного канала температуры после модернизации составит

-0,0000337-29674 „

P (t) = е =0,368. (9)

Графики зависимости вероятности безотказной работы канала измерения температуры P(t) от времени t представлены на рисунке 5.

До модернизации

После модернизации

° <£$> 0<$> ¿Р ¿Р ^ <£$> Л?

^ ® & г* г% ^ * ^ ^ & <f

t, час

Рис. 5. Графики зависимости вероятности безотказной работы Р(1) от времени 1

По результатам расчетов характеристик надежности можно сделать вывод о том, что система после модернизации будет обладать более высокими показателями надежности, чем на данный момент времени (среднее время безотказной работы канала измерения Тср2 ~ 3,4 года и Тср1 ~ 2,3 года). Главным образом это связано с низкой надежностью используемого в системе измерительного регистрирующего преобразователя Ш9329КС (средняя наработка на отказ Т=50000 ч), и высокой надежностью программируемого контроллера CPM713-01 (средняя наработка на отказ Т=360000 ч) и двухканального модуля аналогового ввода сигналов термопар AIM724 (средняя наработка на отказ Т=1100000 ч), которые предлагается использовать в системе.

Библиографический список

1. Кузяков О. Н. Анализ внештатных ситуаций и причин аварийных остановов газоперекачивающего агрегата // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2016. - № 5. - С. 23-32.

2. Шабанов С. З. Регулирование газотурбинных агрегатов // Библиотека эксплуатационника магистрального газопровода. - 2-е изд., перераб. и доп. / С. З. Шабанов, А. А. Файнштейн. - Ленинград: Недра, 1978. - 200 с.

3. Евдокимов Я. Регулирование ГПА: возникающие проблемы и пути их решения // Современные технологии автоматизации. - 2009. - № 2. - С. 80-86.

4. Блок регулирования ГПА. САУ газоперекачивающими агрегатами. Автоматика для компрессорного оборудования. Автоматизация. НПК «ЛенПромАвтоматика» [Электронный ресурс]: - Режим доступа: http: //www. lenprom. spb .ru/avtomatika/compressor/sau_gpa/br_gpa/

ЗЕМФИРОВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ - магистрант, Тюменский индустриальный университет, Россия.