image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 7-8 2017

Транспорт и хранение нефти и газа

01.7-8.2017 10:00 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.
Ссылка для цитирования: Федосеев А.Ю., Калинин А.Ф. Оценка изменения технического состояния осевого компрессора газотурбинного двигателя в процессе эксплуатации // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 7–8. 112–117.
Открыть PDF


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.

Image_005.jpg

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 труднодоступности 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]:

1.png, (1) 

где nНД и nНД0 – действительная и номинальная частоты вращения ротора КНД, об/мин; Tвх0, Tвх – значения температуры воздуха на входе в ОК при стандартных станционных и действительных условиях, Tвх0 = 288 К, Tвх ≅Tо.с. + 5, К; Tо.с. – температура атмосферного воздуха, К.

Относительная частота вращения вала КВД определяется из следующего соотношения:

1_1.png (2) 

где nВД и nВД0 – 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]:

1_1_1.png (3)

 

где πК и πК0 – 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

1_1_2.png (4)

где TК – действительная температура воздуха на выходе ОК; TК0 – номинальное значение температуры воздуха на выходе ОК [2],

1_1_5.png(5) 

где Tвх – температура воздуха на входе ОК, К; z1 и z2 – коэффициенты сжимаемости воздуха, определяемые из диаграммы; k – средний показатель адиабаты воздуха в процессе сжатия, k ≅ 1,4; ηk – 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.

1_1_3.png 1_1_4.png

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]:

1_1_6.png(6) 

где Ne0 – паспортная мощность ГТУ на номинальном режиме; Neн пр – действительная эффективная мощность ГТУ на номинальном режиме, приведенная к стандартным станционным условиям (Tвх0 = 288 К, pa0 = 760 мм рт. ст.),

1_1_7.png, (7)

 

где pa0, pa – 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]:

1_1_8.png (8) 

где BТГ0 – 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; BТГ Н ПР – приведенный действительный расход топливного газа на номинальном режиме работы ГГПА,

1_1_9.png (9) 

BТГ Н – действительный расход топливного газа при номинальном режиме, кг/ч; Qнр0 и Qнр – номинальное и действительное значения низшей теплоты сгорания топливного газа, Qнр0 ≅ 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

1_1_10.png (10) 

где TСТ0 и TСТ – 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.

1_1_11.png 1_1_12.png

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

 Ki(t) = Ki(t0) + ki•t,  (11) 

где Ki(t0) – значение контролируемого параметра после предыдущей промывки; ki – 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: 

KТНД(t) = KТНД(t0) + kТНД•t = 1,058 + 1,398•10–5•t, (11а) 

KТВД(t) = KТВД(t0) + kТВД.•t =1,032 + 0,816•10–5•t, (11б)

Kπ(t) = Kπ(t0) + kπ•t = 0,995 – 4,099•10–5•t, (11в)

KTСТ(t) = KTСТ(t0) + kTСТ•t =1,058 + 1,614.10–5•t, (11г)

KN(t) = KN(t0) + kN•t = 0,964 – 4,705•10–5•t, (11д)

KТГ(t) = KТГ(t0) + kТГ•t = 1,025 + 0,771•10–5•t. (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 1_1_14.pngи коэффициент технического состояния ГТУ по эффективной мощности KNe, так как значения ki 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 KТГ [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;

  • 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.


1_1_15.png 1_1_16.png 

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

KТГ(mc ГТУ)(t) = KТГ(t0) + kТГ(mc ГТУ)•t, (12) 

где kТГ(mc ГТУ) = tg(β) – 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 i-го рассматриваемого параметра оценки технического состояния ГТУ может быть представлена в следующем виде: 

Ki(mc ГТУ)(t) = Ki(t0) ± ki(mc ГТУ)•t, (13)

где Ki(t0) – значение i-го контролируемого параметра после предыдущей промывки; ki(mc ГТУ) – коэффициент наклона зависимости изменения i-го контролируемого параметра ГТУ от времени по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК, ч–1; t – время от последней промывки, ч.

1_1_17.png

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, 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.

Image_005.jpg

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:

1_1_18.png, (14)

 

где Ki(до пр) и Ki(пос пр) – значения контролируемых параметров до и после промывки проточной части ОК, полученные в результате обработки теплотехнических испытаний ГПА; ki – коэффициент наклона зависимости контролируемого параметра от времени, ч–1; ki(mc ГТУ) – коэффициент наклона зависимости изменения i-го контролируемого параметра ГТУ от времени по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК, ч–1; 1_1_19.png – 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.



← Назад к списку


im - научные статьи.