К 55-летию Тюменского государственного нефтегазового университета (стр. 19 )

Замятин Виктор Михайлович, д. т.н., профессор кафедры физики, Уральский федеральный университет имени первого Президента России , г. Екатеринбург, ,
е-mail: [e-mail]

, к. т.н., доцент кафедры физики, Уральский федеральный университет имени первого Президента России , г. Екатеринбург,

, д. т.н., профессор, Уральский федеральный университет имени первого Президента России , г. Екатеринбург,

, аспирантка, Уральский федеральный университет имени первого Президента России , г. Екатеринбург,

, к. т. н., ведущий инженер КУМЗ (Каменск-Уральский металлургический завод)

Zamyatin V. M. PhD, professor, Department of Physics, Ural Federal University named after B. N. Eltsin, first President of Russia, phone: (343)3 е-mail: Zamyatin. *****@***com

Moskovskikh O. P., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Department of Physics, Ural Federal University named after B. N. Eltsin, first President of Russia, Yekaterinburg, phone: [phone]

Grachev S. V., PhD, professor, Ural Federal University named after B. N. Eltsin, first President of Russia, Yekaterinburg, phone: [phone]

Grinenko M. A., postgraduate student, Ural Federal University named after B. N. Eltsin, first President of Russia, Yekaterinburg, phone: [phone]

Doroshenko N. M., Candidate of Technical Sciences, leading engineer, Kamensk-Ural Metallurgical Plant

_____________________________________________________________________________________

УДК 621.438:622.691.4.052.006

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ ПО ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

PREDICTION OF RESIDUAL LIFE OF CENTRIFUGAL INJECTORS

BASED ON THEIR ENERGY DATA

S. I. Perevoschikov

Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень

Ключевые слова: центробежные нагнетатели, природный газ,

техническое состояние, параметрическая диагностика. энергетические показатели

Key words: centrifugal superchargers, natural gas, technical state, parametric diagnostics. energetic data

Центробежные нагнетатели природного газа (ЦБН) относятся к газодинамическим машинам проточного типа. Через каждый из них в условиях газопромысловых дожимных компрессорных станций (ДКС) и компрессорных станций магистральных газопроводов (КС) ежегодно проходят миллиарды кубических метров природного газа. Это не может не сказываться на техническом состоянии данных машин и технико-экономических показателях газопромысловых и газотранспортных организаций, что вызывает необходимость постоянного мониторинга технического состояния нагнетателей. Одним из наиболее эффективных способов отслеживания технического состояния данного вида компрессорных машин является параметрическая диагностика их на основе той или иной физической модели, происходящих в них процессов. Этот вид диагностики может проводиться различными способами. К числу наиболее известных из них относятся способы, основанные на значениях политропических КПД нагнетателей, изложенные в работах [1], [2] и [3].

На основе исследований, результаты которых представлены в [4], установлено, что указанным методикам свойственны некоторые недостатки. К ним, в первую очередь, относится базирование данных методик на сведениях о производительности нагнетателей, во вторую (по порядку, но не по степени важности) – формирование диагностических выводов без оценки степени их достоверности. Первый из отмеченных недостатков существенно сужает возможности применения отмеченных методик, так как ими невозможно воспользоваться на большинстве ДКС и КС, поскольку на значительном количестве станций отсутствуют индивидуальные средства учета газа для каждой машины в отдельности. Второй недостаток не позволяет в полной мере положиться на результаты диагностики, полученные (по отмеченным методикам) без оценки достоверности диагностических выводов.

Отмеченные недостатки отсутствуют у методики, приведенной в работе [4]. Основу ее составляет использование для определения политропического КПД теоретического классического выражения для расчета данного параметра, адаптированного к реальным условиям и к реальным особенностям конкретных компрессорных машин. Адаптация выполняется с помощью введения в отмеченное выражение коэффициента адаптации, численное значение которого находится по этому же выражению, но записанному для оптимального режима работы нагнетателя:

После подстановки в данное выражение вместо комплекса его численного значения, применяемого в соответствующих расчетах в газовой промышленности и равного 0,235, а также вместо общего вида комплекса его значения, раскрытого через средний показатель политропы, определяемый как отношение к , представленное выражение приобретает окончательный вид

где и – коэффициент сжимаемости газа при условии на входе и выходе нагнетателя; и – температура газа на входе и выходе нагнетателя; – степень сжатия нагнетателя.

В рассматриваемой методике вместо производительности нагнетателей используется безразмерный комплексный параметр и результаты расчета, представленные в виде функционального ряда , обрабатываются с помощью программного продукта Microsoft Excel, чем достигается определение достоверности диагностического вывода [4]. Непосредственно оценка технического состояния нагнетателей выполняется посредством сравнения фактического политропического КПДмашин при их работе в оптимальном (расчетном) режиме , рассчитанного по зависимости, аппроксимирующей функциональный ряд , с паспортным значением данного параметра.

По данной методике выполнено определение технического состояния нескольких нагнетателей на основе использования эксплуатационных данных по этим машинам, позаимствованным из оперативных журналов эксплуатационного персонала. Полученные результаты показали, что достоверность диагностических выводов, сформулированных на основе данной методики, находится в пределах 0,987-0,996 [4], что близко к единице. Это наблюдается даже при ограниченном количестве исходной информации, используемой для диагностирования. Отмеченные обстоятельства позволяют, во-первых, использовать для диагностирования текущую информацию о режимах работы нагнетателей, фиксируемую в оперативных журналах эксплуатационного персонала; во-вторых, ввиду постоянной регистрации режимов работы машин в отмеченной документации с двухчасовым интервалом, сузить временной интервал, для которого производится оценка технического состояния машин.

В результате диагностический вывод оказывается соответствующим узкому временному отрезку, который намного меньше срока службы оборудования, что открывает возможности для неоднократной оценки технического состояния нагнетателей в течение всего срока их эксплуатации, оговоренного заводами-производителями машин, и, в итоге, по результатам предшествующих оценок прогнозировать состояние машин на ближайшую перспективу.

Диагностируемым параметром в рассматриваемой методике является комплексная, по физическому и по смысловому значению, величина – политропический КПД. Она характеризует нагнетатели с технической стороны и со стороны энергетической. Данное обстоятельство позволяет использовать результаты прогноза, выполненного на основе рассмотрения динамики изменения во времени значений политропического КПД машин , для определения остаточного ресурса нагнетателей по их энергоемкости. Для этого необходимо оценить допустимый нижний уровень, , начиная с которого эксплуатировать каждый отдельный нагнетатель в конкретных условиях его нахождения становится экономически не выгодно вследствие дополнительных, непроизводительных и все возрастающих затрат энергии на его привод. Значение является пороговым; момент времени, в который прогнозируемое значение политропического КПД достигает его, соответствует времени вывода машины из работы по экономическим соображениям.

Отрезок времени между последним, по времени, диагностированием и моментом времени является остаточным ресурсом рассматриваемой машины по ее энергоемкости. Для предотвращения излишних затрат энергии нагнетатель необходимо выводить из работы до достижения им порогового значения и подвергать ревизии, а затем, по результатам ревизии, ремонту или замене.

Возможность определения остаточного ресурса нагнетателей природного газа по их энергоемкости на основе методики [4] подтверждается расчетами. Они выполнены для нагнетателя RF2BB-30 и заключались в определении для семи значений наработки Т. Результаты расчетов представлены (рисунки).

В качестве примера, представлены результаты расчета и определение для наработки, равной 70,628 ч (рис.1).

Рис. 1. Определение оптимального КПД для наработки Т=70,628 час

На нем штриховой линией показано определение политропического КПД, соответствующего значению параметра, который характеризует оптимальный режим работы нагнетателя [4].

Аналогичным образом получены значения и для других шести, принятых к рассмотрению наработок. В результате таких действий сформирован второй, после , функциональный ряд вида. . Он, так же как и первый ряд , подвергался обработке с помощью программного продукта Microsoft Excel. Обработке предшествовал выбор аппроксимирующей зависимости, описывающей функцию . Из представляемого Microsoft Excel ряда аппроксимирующих зависимостей выбраны лишь те, аналитическая форма которых отвечает физической сущности рассматриваемого процесса, а именно: процессу изменения технического состояния оборудования в зависимости от времени пребывания его в работе. Применительно к рассматриваемому случаю, когда в качестве оборудования выступает центробежный нагнетатель, проточная часть которого подвергается непрерывному воздействию со стороны проходящих через него масс природного газа, отмеченному критерию отвечают функции полиномиального ряда. Из них наиболее подходящими для рассматриваемой ситуации являются полином второй и полином третьей степени. Сделать более конкретный однозначный выбор на данном этапе затруднительно ввиду того, что требуется не получение аналитического выражения, описывающего полученный функциональный ряд , а экстраполяция значений данного ряда за его пределы в сторону нарастающих значений аргумента в данном ряду – .

Для окончательного выбора вида аппроксимирующей зависимости имеющийся функциональный ряд аппроксимирован как полиномом второй и третьей степени. Результаты аппроксимации представлены на рис. 2 и 3 соответственно.

Рис. 2. Определение остаточного ресурса нагнетателя по его энергоемкости (n=2)

При пороговом значении политропического КПД, равном 0,792 (принято условно), предельный момент времени , при котором нагнетатель необходимо выводить из работы по экономическим соображениям, равен 84000 ч наработки машины с начала ее эксплуатации (см. рис. 2). Согласно (см. рис. 3), .

Рис. 3. Определение остаточного ресурса нагнетателя по его энергоемкости (n=3)

Результаты прогноза существенно разнятся. Исходя из физических представлений, более достоверный результат дает аппроксимация полиномом второй степени, так как для любого оборудования срок его службы, как физический, так и экономически целесообразный, имеет естественные пределы. Однако и в случае полинома второй степени не все так однозначно. Эта неоднозначность вытекает из того, что, несмотря на достаточно высокую достоверность прогноза в данном случае, равную =0,854 , положиться всецело на его результаты затруднительно, так как прогноз на основе той же самой исходной информации, но выполненный с использованием полинома третьей степени дает совсем другой результат. При этом достоверность его почти такая же (=0,863).

Наблюдаемое разночтение в результатах прогноза объясняется «разбросом» единичных значений в координатном поле , вызванным погрешностью определения параметра на основе, содержащей погрешность исходной эксплуатационной информации и расчетов по представленной выше зависимости, также сопряженных с погрешностью, вносимой математической структурой данной зависимости. Существующий «разброс» объективно неустраним. Его можно лишь уменьшить, но только за счет повышения точности исходной информации. Это достигается применением более высокоточного приборного оснащения, сверх ныне существующих штатных приборов компрессорных машин, что в большинстве случаев экономически не оправдано. При таком положении дел наблюдаемый «разброс» (см. рис.2 и 3), не позволяет выполнять прогнозирование на достаточно продолжительный период времени Т без внесения в результат прогноза высокой доли неопределенности.

Ситуация с неопределенностью долгосрочного прогноза усугубляется наличием еще одного обстоятельства, проистекающего из особенностей изменения политропического КПДцентробежных нагнетателей от времени их наработки. Эта особенность заключается в том, что центробежные нагнетатели являются открытой, для внешней среды, системой и величина их политропического КПД в значительной мере определяется внешними, относительно данных машин, факторами. Определяющим внешним фактором выступает компримируемый в машинах природный газ, который, несмотря на неоднократную очистку его на газопромысловых объектах и КС магистральных газопроводов, всегда содержит в своем составе то или иное количество посторонних включений в виде различных механических частиц и мелкодисперсных жидкостных образований. Эти включения при прохождении газовыми потоками проточной части нагнетателей оказывают на нее эрозионное воздействие, изменяя состояние поверхности конструктивных элементов проточной части и, со временем, геометрическую конфигурацию некоторых из этих элементов. Все это приводит к нарушению изначально благоприятных условий, при которых происходит сжатие газа в нагнетателях, и непосредственно сказывается на величине политропического КПД данных машин При этом изначально благоприятные условия компримирования газа изменяются не только в сторону их ухудшения и уменьшения . Одновременно с этим происходит и снижение шероховатости поверхностей, обтекаемых газовым потоком, в результате их «шлифовки» механическими включениями, содержащимися в компримируемом газе. Из-за «шлифовки» снижаются газодинамические потери энергии в нагнетателях, и происходит повышение данных машин. Таким образом, при увеличении наработки нагнетателей и, соответственно их износа, политропический КПДмашин претерпевает двоякое изменение – одновременно происходит его повышение и снижение. Итоговое значение зависит от сочетания данных процессов и, в первую очередь, от относительной масштабности процессов эрозионного изменения геометрической конфигурации элементов проточной части машин и «шлифовки» поверхности этих элементов газовыми потоками.

Масштабность различных направлений эрозионного изменения проточной части нагнетателей определяется условиями, в которых эксплуатируются машины. Последние же могут существенно отличаться в зависимости от места расположения компрессорных станций, на которых находятся нагнетатели, так как станции даже одного и того же газопровода часто эксплуатируются в различных условиях. Оборудование станций, расположенных после головных сооружений магистралей, где производится достаточно тщательная очистка газа от всевозможных включений, а также после КС с двухступенчатой очисткой газа, менее подвержено эрозионному износу, чем оборудование, находящееся на других КС того же газопровода. И наоборот, нагнетатели станций, размещенных после участков магистрали, регулярно подвергающихся ремонту, испытывают более интенсивный износ от эрозионного воздействия газового потока. По отмеченным причинам характер изменения проточной части конкретных единиц нагнетателей под воздействием эксплуатационных факторов и, соответственно машин, от времени наработки оборудования может быть прогнозируемым только в качественном отношении. Относительно временной школы, представляемой временем наработки нагнетателей, прогноз отмеченных изменений достаточно приблизителен. На возможность только приблизительного долгосрочного прогноза остаточного ресурса ЦБН по их энергетическим показателям указывает и следующее обстоятельство. Качество очистки газа на промысловых газоочистных установках и на КС магистральных газопроводов, а также сроки, продолжительность и периодичность ремонтов линейной части газопроводов, непредсказуемы, а значит и неопределенна масштабность предстоящих эрозионных воздействий на проточную часть нагнетателей и соответственно величина и направление дальнейших изменений их

Таким образом, долгосрочный прогноз остаточного ресурса нагнетателей по их энергетическим показателям сопряжен с некоторой степенью неопределенности.

Неопределенность возрастает по мере увеличения прогнозного периода. При достаточно долговременном прогнозе достоверность его (см. рис. 2, 3) и представляющая достаточно ощутимую величину, равную 0,854-0,863, убывает и при существенном сроке прогнозирования может стать трудноопределимой. Поэтому прогноз остаточного ресурса нагнетателей по их энергетическим показателям предпочтительно выполнять на сравнительно непродолжительный период времени и периодически корректировать его по итогом очередных диагностических определений политропического КПД данных машин.

Рассмотрена реальная ситуация, имеющая место для одного из находящегося в эксплуатации нагнетателя (см. рис. 2, 3). В соответствии с ней по мере удаления от последнего, по времени определения , соответствующего наработке Т = 80400 ч, результаты прогноза на основе полиномов второй и третьей степени начинают все более отличаться друг от друга и при даже небольшом удалении от этого момента, отвечающего = 0,798, имеем = 82200 ч (см. рис. 2) и = 84000 ч (см. рис. 3). Расхождение составляет 1800 ч, что соответствует непрерывной работе нагнетателя в течение почти трех месяцев. Очевидно, что результаты подобного прогноза неприемлемы. Применимые результаты можно получить при прогнозировании на менее продолжительный период времени. Например, до наработки Т = 81000 ч. Этому значению Т по полиному второй степени соответствует = 0,803, а по полиному третьей степени – 0,804. Расхождение между наблюдаемыми значениями удовлетворяет эксплуатационной практике, так как отличие между ними не велико и составляет не многим более 0,1%. Поэтому можно заключить, что с вероятностью не менее 0,854 (меньшей из двух ранее отмеченных 0,854 и 0,863) при наработке Т = 81000 ч политропический КПДнагнетателя будет иметь значение, находящееся в интервале 0,803-0,804.

Таким образом, в рассматриваемом примере для получения приемлемых результатов прогноза диагностические операции по определению необходимо выполнять не реже одного раза в месяц (наработка в месяц составляет 720-744 ч), а результаты прогноза распространять на период предстоящей наработки также не превышающий месячную наработку машины. По истечении некоторого времени ситуация может измениться. Тогда периодичность диагностики и продолжительность периода прогнозирования могут быть изменены. Критерием, по которому следует изменять данные параметры, является степень расхождения между значениями , полученными по различным аппроксимирующим зависимостям для прогнозируемого периода. Эта степень должна быть небольшой и отвечающей конкретно рассматриваемой ситуации.