По термодинамическим параметрам

Диагностика по термогазодинамическим параметрам используется для решения следующих основных задач, возникающих при эксплуатации ГПА:

· оценка технического состояния узлов ГТУ, ГТУ в целом, а также центробежного нагнетателя (ЦБН);

· прогнозирование технического состояния ГПА в течение последующего межремонтного периода;

· технико-экономическое основание необходимости замены отдельных агрегатов ГПА или полной реконструкции ГПА.

Современное состояние измерительной техники и систем обработки информации позволяет в автоматизированном режиме измерить все необходимые для полной диагностики термодинамические параметры: давление (Р) и температуру (Т) рабочего тела в сечениях при входе и выходе регенератора; компрессоров, камер сгорания и теплообменников, расход топливного газа GТ; расход охлаждающего воздуха Gохл; частоты вращения роторов турбокомпрессора (n1) и блока «силовая турбина-нагнетатель» (n2).

Методики термогазодинамической диагностики ГТУ на компрессорных станциях дают ответ на вопрос о техническом состоянии установки в целом, не диагностируя состояния отдельных узлов, что затрудняет принятие обоснованных решений по обслуживанию, ремонту или замене турбомашин, камер сгорания и теплообменных аппаратов. Более обоснованный, с технической и экономической точек зрения, подход к термодинамической диагностике связан с установлением технического состояния не только ГТУ в целом, но состояний отдельных агрегатов.

Для осевого компрессора измеряемыми величинами являются:

· температура, давление и влажность воздуха, забираемого из окружающей среды – Та, К; Ра, МПа;

· давление воздуха при входе в лопаточный аппарат Р1;

· расход воздуха через ОК – Gв, кг/с;

· температура и давление воздуха при выходе из ОК – Т2, К; Р2, МПа;

· частота вращения ротора компрессора n1, об/мин.

Одним из известных способов определения расхода Gв является использование обобщенной для данного ВУ тарировочной зависимости

По термодинамическим параметрам - student2.ru

Для оценки технического состояния ОК используются его паспортные характеристики, полученные на стенде завода-изготовителя, приведенная к стандартным условиям окружающей среды Раа0, Таа0. Эти характеристики могут быть уточнены путем специальных измерений на КС в начале эксплуатации ГТУ и служат эталоном сравнения при диагностике.

Паспортные характеристики ОК представляются в графической форме и апроксимируются для расчета зависимостями.

По термодинамическим параметрам - student2.ru , (8.4)

По термодинамическим параметрам - student2.ru , (8.5)

где По термодинамическим параметрам - student2.ru – адиабатный КПД ОК по параметрам торможения; pко – степень сжатия в ОК

По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

с – скорость в абсолютном движении; Ср – изобарная теплоемкость; к – показатель адиабаты;

По термодинамическим параметрам - student2.ru ; По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

Приведенный расход рабочего тела в ОК

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.6)

Приведенная частота вращения ротора

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.7)

В качестве характерных Gв и n1 могут приниматься величины текущего режима или осредненные по мощности Nкi, затрачиваемой на привод

компрессора на различных режимах (i = 1,2,…n)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.8)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.9)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.10)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.11)

где По термодинамическим параметрам - student2.ru – относительное время работы ОК на характерном режиме.

По измеренным или определенным результатам величинам Gв; Р2*; Т2* вычисляются:

степень сжатия в ОК

По термодинамическим параметрам - student2.ru ,

адиабатическая работа сжатия

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кДж/кг (8.12)

действительная работа сжатия в ОК

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кДж/кг (8.13)

КПД ОК по параметрам торможения

По термодинамическим параметрам - student2.ru , (8.14)

Паспортные значения По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru определяются по соотношениям (8.4), (8.5) при фактических режимных условиях (8.8) и (8.9) по приведенным по формулам (8.6) и (8.7) расходу Gпро и частоте вращения n1про .

Полные давления и температура за компрессором при исходном паспортном техническом состоянии ОК По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru вычисляются по найденным По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru :

По термодинамическим параметрам - student2.ru , (8.15)

По термодинамическим параметрам - student2.ru . (8.16)

Для характеристики технического состояния ОК по найденным параметрам вводим диагностические коэффициенты по КПД и степени сжатия

По термодинамическим параметрам - student2.ru и (8.17)

По термодинамическим параметрам - student2.ru . (8.18)

Вместо коэффициента По термодинамическим параметрам - student2.ru может использоваться коэффициент технического состояния ОК по изменению политропного КПД:

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.19)

где политропный КПД компрессора с ВУ

По термодинамическим параметрам - student2.ru ,

n – показатель адиабаты

По термодинамическим параметрам - student2.ru ; По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.20)

Оценка технического состояния камеры сгорания при полной диагностике может быть проведена по параметрам гидравлических потерь и полноты сгорания топлива.

Коэффициент технического состояния КГ по гидравлическим потерям определяется соотношениями:

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.21)

где По термодинамическим параметрам - student2.ru – паспортный коэффициент потерь в КГ, найденный в изотермических условиях.

Фактически коэффициент потерь давления в КГ, приведенный к изотермическим условиям:

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.22)

где По термодинамическим параметрам - student2.ru – фактический, измеренный или найденный расчетом по измеренным параметрам, коэффициент давления в КГ в эксплутационных условиях; По термодинамическим параметрам - student2.ru – показатель адиабаты; l2 – приведенная скорость при входе в КГ

По термодинамическим параметрам - student2.ru

где По термодинамическим параметрам - student2.ru – площадь сечения воздушного тракта перед КГ; По термодинамическим параметрам - student2.ru – опытная константа, характеризующая геометрическую форму КГ ( По термодинамическим параметрам - student2.ru ).

Коэффициент технического состояния КГ по полноте сгорания топлива характеризуется величиной:

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.23)

где hГ – коэффициент полноты сгорания топлива в эксплутационных условиях

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.24)

где L0 – стехеометрическое количество воздуха в КС; По термодинамическим параметрам - student2.ru – коэффициент избытка воздуха в КС; По термодинамическим параметрам - student2.ru – расход топлива в КГ; По термодинамическим параметрам - student2.ru – низшая теплотворная способность топлива;

энтальпия чистых продуктов сгорания

По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

энтальпия воздуха

По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

энтальпия топливного газа, подаваемого в КС

По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

Паспортные значения коэффициента полноты сгорания топлива По термодинамическим параметрам - student2.ru определяется по зависимости, аппроксимирующей паспортную характеристику КГ:

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.25)

При частичной диагностике из-за технических сложностей не измеряются температура и давление газа при входе из КГ По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru . В этом случае по измеренным По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , найденным По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru и оцениваемым коэффициента технического состояния По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru последовательно вычисляются:

ü коэффициент полноты сгорания топлива в КГ;

ü температура газа перед ТВД

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.26)

ü коэффициент потерь давления и коэффициент давления в камере сгорания:

По термодинамическим параметрам - student2.ru

По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

ü давление газа перед ТВД:

По термодинамическим параметрам - student2.ru .

Современный и перспективный уровень развития измерительных систем позволяет измерить температуру газа По термодинамическим параметрам - student2.ru в различных сечениях по окружности при входе в сопловой аппарат (СА) турбины высокого давления. Неравномерность поля температур за КГ, перед СА, характеризуется коэффициентом

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.27)

где По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru – максимальная, минимальная и средняя температуры в сечении перед СА.

В стендовых условиях или на начальном этапе эксплуатации, по результатам измерений, вычисляется паспортная неравномерность поля температур По термодинамическим параметрам - student2.ru . Коэффициент технического состояния КГ по неравномерности температуры на выходе из КГ определяется соотношением

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.28)

Для полной термодинамической диагностики технического состояния турбины высокого давления (ТВД) измеренными или вычисленными по результатам измерений являются:

ü давление и температура при выходе из ТВД: По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

ü расход воздуха при входе в ОК По термодинамическим параметрам - student2.ru и топлива По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

ü расход охлаждающего воздуха По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

ü расход газа, относимый на утечки;

ü частота вращения ротора турбокомпрессора По термодинамическим параметрам - student2.ru ;

ü механический КПД.

Теплодинамические характеристики рабочего тела По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru принимаются по справочным данным. Фактические параметры ТВД вычисляются по следующим зависимостям:

степень расширения газа в турбине

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.29)

располагаемый теплоотвод в турбине

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кДж/кг (8.30)

удельная работа газа в ТВД

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кДж/кг (8.31)

КПД турбины по параметрам торможения

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кДж/кг (8.32)

эффективный расход газа через ТВД

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кг/с (8.33)

мощность ТВД

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кВт (8.34)

Для контроля найденных параметров используется уравнение баланса мощности на валу турбокомпрессора:

По термодинамическим параметрам - student2.ru , или

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.35)

где нижний индекс По термодинамическим параметрам - student2.ru относится к параметрам ОК, а индекс По термодинамическим параметрам - student2.ru относится к параметрам ТВД.

При отличии левой и правой частей, одна из величин ( По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru и др.) вычисляемая с наибольшей погрешностью, может уточняться из этого уравнения.

В геометрически подобных турбомашинах подобие режимов определяется равенством пяти параметров: чисел Прандтля (Pr), Рейнольдса (Re) и Маха (M), а также показателя адиабаты По термодинамическим параметрам - student2.ru и степенью изменения давления По термодинамическим параметрам - student2.ru . При постоянстве или несущественном влиянии Pr, Re, и По термодинамическим параметрам - student2.ru , КПД По термодинамическим параметрам - student2.ru и удельная работа По термодинамическим параметрам - student2.ru зависит от двух параметров, По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru или По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru .

Для определения технического состояния ТВД необходимо воспользоваться паспортной характеристикой этой турбины, например, в виде

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.36)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.37)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.38)

Коэффициенты технического состояния ТВД по КПД и мощности, с учетом величин, определенным по соотношениям (8.29)¸(8.34) и (8.36)¸(8.38):

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.39)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.40)

Для диагностики технического состояния ТНД измеряются давление и температура перед ТНД и за ТНД, По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , n2 используются найденные ранее По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru считаются известными По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru , По термодинамическим параметрам - student2.ru . Фактические параметры при режимных параметрах

По термодинамическим параметрам - student2.ru и По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.41)

По термодинамическим параметрам - student2.ru , (8.42)

где располагаемый теплоотвод в турбине

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кДж/кг (8.43)

удельная работа газа в ТНД

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кДж/кг (8.44)

КПД ТНД по параметрам торможения

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кДж/кг (8.45)

мощность ТНД, равная полезной мощности ГТУ, По термодинамическим параметрам - student2.ru

По термодинамическим параметрам - student2.ru , кВт (8.46)

Вычисленное значение мощности По термодинамическим параметрам - student2.ru сравнивается с мощностью По термодинамическим параметрам - student2.ru , затрачиваемой на привод ЦБН:

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.47)

Определение По термодинамическим параметрам - student2.ru приведено ниже.

В случае существенного различия NТНД вычисленной по формулам (8.46) и (8.47) уточняется через компрессор:

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.48)

и все расчеты уточняются к новым уточненным расходом, начиная с п.1.

Паспортные параметры ТНД ηТНД0, lТНД0, NТНД0 вычисляются по характеристикам ТНД, аналогичные по форме (5.36)¸(5.38), а коэффициенты технического состояния ТНД по формулам аналогичным (5.39), (5.40)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.49)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.50)

Для определения технического состояния центробежного нагнетателя природного газа использует коэффициенты

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.51)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.52)

где паспортные приведенные характеристики представляют в виде

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.53)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.54)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.55)

По термодинамическим параметрам - student2.ru

По термодинамическим параметрам - student2.ru

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.56)

В качестве параметров приведения принимают, например, Zпр = 0,91; Rпр = 500 Дж/кг×оК. Фактические параметры ЦБН определяются по измеренным Р, Т, Р, Т давлениями и температурами до и после ЦБН, а также при измеренном массовом расходе природного газа через ЦБН – GГ :

степень сжатия в ЦБН

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.57)

политропный КПД ЦБН

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.58)

мощность, затрачиваемая на привод ЦБН

По термодинамическим параметрам - student2.ru (5.59)

где По термодинамическим параметрам - student2.ru – удельная работа сжатия в ЦБН равная изменению полной энтальпии

GГ=QГρГ.

Коэффициенты технического состояния ЦБН вычисляют с использованием фактических и паспортных данных по формулам (8.48) и (8.49).

Для ГТУ рассмотренной схемы паспортные КПД и мощность определяются однопараметрической зависимостью от расхода топлива Gт:

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.60)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.61)

Фактическая мощность Nе и КПД ГТУ ηе определяются по формулам

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.62)

По термодинамическим параметрам - student2.ru (8.63)

Коэффициент технического состояния ГТУ на режиме, характеризуемом подачей топлива Gт:

По термодинамическим параметрам - student2.ru

где ηе, ηео, Nе, Nео находятся по соотношениям (8.60)¸(8.63).

Техническое состояние ГТУ характеризуется найденными коэффициентами КηгтуNгту. Техническое состояние осевого компрессора коэффициентами Кηк (или Кηполк) и КПк, камеры сгорания – коэффициентами Кξ, Кη, Кδ, турбины – коэффициентами Кηтвд, КNтвд, Кηтнд и КNтвд, и нагнетатели характеризуются коэффициентами Кηн, КПн. Таким образом, рассмотренная методика термогазодинамической диагностики позволяет оценивать техническое состояние не только ГТУ в целом, но и отдельных агрегатов ГТУ.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные показатели надежности для ГТУ.

2. Охарактеризуйте основные виды технических состояний.

3. Каковы основные неисправности компрессора, камеры сгорания, турбины?

4. Перечислите измеряемые параметры ОК при диагностике по термодинамическим параметрам.

Наши рекомендации