Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к области эксплуатации газотурбинных установок, в частности оценке технического состояния газотурбинного двигателя и осуществлению контроля степени загрязнения газовоздушного тракта двигателя.

Основной эксплуатационной причиной снижения мощности газотурбинной установки является загрязнение газовоздушного тракта. Эффективность эксплуатации газотурбинных установок в подобных случаях зависит от своевременной диагностики ухудшения параметров и выполнения очистки газовоздушного тракта для восстановления мощности.

Известен способ эксплуатации энергетической газотурбинной установки (ГТУ), предусматривающий очистку газовоздушного тракта на основе данных о снижении вырабатываемой электрической мощности (ΔN) по сравнению с техническим состоянием ГТУ перед началом эксплуатации [Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Издательство МЭИ, 2002 г., стр.178-179].

Измерение параметра N производят для одинаковых условий на входе в ГТУ при номинальном уровне нагрузки, скорректированной температуре газов на выходе ГТУ и полностью открытом положении входного направляющего аппарата компрессора. После проведения очистки проточной части ГТУ производят повторное измерение электрической мощности для подтверждения восстановления характеристик.

Недостатком известного способа является невозможность использования диагностического признака - снижения электрической мощности ΔN при оценке степени загрязнения ГТУ для механического привода.

Известен также способ оценки технического состояния газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом на основе многофакторного диагностирования параметров их проточной части с использованием комплекса нелинейных математических моделей ГТУ и центробежного нагнетателя, которые согласовывают между собой через параметры механической мощности и частоты вращения силового вала [Патент РФ №2217722, G01M 5/00, 2003 г.]. О неисправностях в работе судят по изменениям во времени параметров состояния ГТУ и интегральным показателям работы газоперекачивающего агрегата.

Недостатками данного аналога и подобного способа, реализованного в системе диагностирования газоперекачивающих агрегатов [Патент РФ №2245533, G01M 15/00, F04D 27/02, 2005 г.] и предусматривающего параметрическую, вибрационную, визуально-оптическую, ресурсную и экспертную диагностику с последующим проведением ремонтно-восстановительных работ, являются существенный объем регистрируемой параметрической информации, сложность диагностической аппаратуры, необходимость в высокой квалификации обслуживающего персонала, что неизбежно приводит к повышенным эксплуатационным расходам.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ эксплуатации турбореактивного двигателя по его техническому состоянию, предусматривающий периодический вывод двигателя на частоту вращения ротора низкого давления n_РНД, близкую к полученной в начале эксплуатации для максимального режима, далее создают на турбине перепад давления, близкий к перепаду давления в начале эксплуатации на этой частоте вращения n_рнд, измеряют частоту вращения ротора высокого давления n_рвд (газогенератора), сравнивают ее величину со значением, полученным в начале эксплуатации, и при увеличении n_рвд более чем на 1,5% осуществляют промывку газового тракта двигателя до уменьшения этого отклонения на 1,5…2% [Патент РФ №2168163, G01M 15/00, 2001 г.].

Основным недостатком прототипа является необходимость в специальном выводе двигателя на максимальный режим, что приводит к дополнительным эксплуатационным расходам, связанным с ускоренной выработкой ресурса горячей части двигателя и тратам топлива на периодические проверки. Кроме того, параметр частоты вращения ротора газогенератора (n_гг) как диагностический признак не в полной мере учитывает изменение расходной характеристики компрессора из-за загрязнения газовоздушного тракта. Поэтому известный способ не обеспечивает высокую достоверность определения необходимости промывки газовоздушного тракта.

Техническая задача - исключение эксплуатационных затрат, связанных с необходимостью проведения специальных действий по оценке состояния газовоздушного тракта, и повышение достоверности определения необходимости его промывки за счет повышения точности и частоты контроля степени загрязнения в процессе эксплуатации установки.

Указанная задача решена за счет того, что в способе эксплуатации газотурбинной установки по техническому состоянию газотурбинного двигателя (ГТД) путем периодического определения отклонений параметров ГТД, в частности величины частоты вращения ротора газогенератора n_гг, измеренной в процессе эксплуатации установки, от исходных значений параметров, в частности n_{гг исх}, определенной в процессе заводских сдаточных испытаний перед началом эксплуатации на контролируемом режиме работы, и выполнения очистки газовоздушного тракта газотурбинной установки при изменении отклонений параметров сверх заранее установленных величин, согласно изобретению предварительно на этапе проектирования ГТУ формируют эксплуатационную математическую модель работы ГТУ, включающую первую функциональную зависимость в виде

Р_{к реж}=f(Р*_к, Р_н, К₁, К_рк, Δn_гг),

где Р_{к реж} - величина Р*_к, приведенная к принятым атмосферным условиям при определении исходных значений параметров и контрольному режиму с учетом программ управления ГТД установки, предназначенных для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик ГТД;

Р*_к - абсолютное давление воздуха за компрессором;

Р_н - атмосферное давление;

K₁ - коэффициент приведения Р*_к;

К_рк - коэффициент приведения Р*_к к контролируемому режиму;

Δn_гг - отклонение величины n_гг от исходного значения, вычисленное по формуле: Δn_гг = n_{гг реж} - n_{гг исх},

где n_{гг реж} - величина n_гг, приведенная к принятым атмосферным условиям при определении исходных значений параметров, с учетом программ управления ГТД, предназначенных для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик ГТД,

n_{гг реж} =f(n_гг, К₂),

где К₂ - коэффициент приведения n_гг;

n_{гг исх} - исходное значение n_гг на контролируемом режиме при принятых атмосферных условиях;

и вторую функциональную зависимость в виде

t_{т реж}=f(t*_т, К₃, К_тт, Δn_гг),

где t_{т реж} - величина t*_т, приведенная к принятым атмосферным условиям при определении исходных значений параметров и контрольному режиму с учетом программ управления ГТД, предназначенных для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик ГТД;

t*_т - температура газов за турбиной газогенератора;

К₃ - коэффициент приведения t*_т;

К_тт - коэффициент приведения t*_т к контролируемому режиму.

В процессе заводских сдаточных испытаний перед началом эксплуатации дополнительно на контрольном режиме измеряют температуру газов за турбиной газогенератора t*_т, абсолютное давление воздуха за компрессором Р*_к, атмосферное давление Р_н, и определяют исходные значения t_{т исх}, Р_{к исх} на контролируемом режиме при принятых атмосферных условиях.

Коэффициенты К₁, K₂, К₃ представляют собой коэффициенты приведения параметров Р*_к, n_гг, t*_т соответственно к принятым атмосферным условиям при определении исходных значений параметров с учетом программ управления ГТД, предназначенных для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик ГТД.

Величины параметров n_{гг исх}, t_{т исх} и Р_{к исх} заносят в формуляр указанного ГТД.

Далее в процессе эксплуатации ежедневно на эксплуатационном режиме работы газотурбинной установки осуществляют измерение текущих значений параметров n_гг ^тек, t*_т ^тек, Р*_к ^тек, t*_вх ^тек, Р_н ^тек на основе первой и второй функциональных зависимостей, с учетом величины Δn_гг, вычисляют Р_{к реж} ^тек и t_{т реж} ^тек, и также ежедневно осуществляют сравнение этих параметров с Р_{к исх} и t_{т исх}, с получением величин ΔР_к=Р_{к реж}-Р_{к исх} и Δt_т=t_{т реж}-t_{т исх}, которые в свою очередь сравнивают с заранее заданными величинами Δ₁ и Δ₂. При этом в случае, если ΔР_к≥Δ₁ и Δt_т≤Δ₂ продолжают эксплуатацию указанной ГТУ без ограничений, а если ΔР_к<Δ₁ или Δt_т>Δ₂, то проводят визуально-оптический контроль компрессора на предмет наличия повреждений и при отсутствии последних выполняют промывку газовоздушного тракта ГТУ.

В отличие от прототипа мониторинг параметров ГТУ осуществляют в процессе штатной эксплуатации, т.е. без специальных остановов и/или выходов на заранее заданный контрольно-проверочный режим, т.е. без осуществления специальных действий, что приводит к существенному снижению затрат.

Применение в качестве диагностических признаков загрязнения газовоздушного тракта параметров Р*_к и t*_т как наиболее точно отражающих ухудшение характеристик компрессора позволяет повысить точность контроля степени загрязнения в процессе эксплуатации по заявляемому способу.

Ежедневная периодичность контроля в максимальной степени способствует достоверности в определении необходимости очистки газовоздушного тракта и исключает запоздалую или преждевременную очистку.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Предварительно на этапе проектирования ГТУ формируют эксплуатационную математическую модель работы ГТУ, включающую первую функциональную зависимость в виде:

Р_{к реж}=f(Р*_к, Р_н, К₁, К_рк, Δn_гг),

и вторую функциональную зависимость в виде:

t_{т реж}=f(t*_т, К₃, К_тт, Δn_гг).

2. В процессе заводских сдаточных испытаний ГТУ, т.е. перед началом эксплуатации, на контрольных режимах работы ГТУ наряду с другими параметрами, в частности n_гг, измеряют температуру газов за турбиной газогенератора t*_т, абсолютное давление воздуха за компрессором Р*_к, температуру воздуха на входе в ГТД t*_вх и атмосферное давление Р_н, затем определяют исходные значения n_{гг исх}, t_{т исх}, Р_{к исх} на контролируемом режиме при принятых атмосферных условиях. Величины параметров n_{гг исх}, t_{т исх}, Р_{к исх} заносят в формуляр указанного ГТД.

3. Далее в процессе эксплуатации ежедневно с помощью штатной системы автоматического управления на эксплуатационном режиме работы указанного двигателя осуществляют измерение текущих значений параметров n_гг ^тек, t*_т ^тек, Р*_к ^тек, t*_вх ^тек, Р_н ^тек на основе первой и второй функциональных зависимостей с учетом величины Δn_гг и вычисляют Р_{к реж} ^тек и t_{т реж} ^тек.

4. Ежедневно осуществляют сравнение величин Р_{к реж} ^тек и t_{т реж} ^тек с Р_{к исх} и t_{т исх} соответственно с получением величин ΔР_к и Δt_т. Осуществляют сравнение указанных величин с заранее заданными величинами Δ₁ и Δ₂. Величины Δ₁ и Δ₂ выбраны из условия обеспечения требуемого уровня мощности ГГУ не ниже заданного предела по нормативной или эксплуатационно-технической документации.

5. В случае, если ΔР_к≥Δ₁ и Δt_т≤Δ₂ продолжают эксплуатацию указанной ГТУ без ограничений, а если ΔР_к<Δ₁ или Δt_т>Δ₂, то проводят визуально-оптический контроль компрессора на предмет наличия повреждений (например, лопаток компрессора), которые могут стать причиной ухудшения параметров ГТУ и снижения ее мощности.

6. При отсутствии дефектов по результатам осмотра выполняют очистку газовоздушного тракта ГТУ любым известным способом.

После очистки производят повторное определение величин ΔР_к и Δt_т и при выполнении условий ΔР_к≥Δ₁ и Δt_т≤Δ₂ продолжают эксплуатацию указанного двигателя ГТУ.

Заявляемое техническое решение реализовано и опробовано эксплуатационными испытаниями в составе газотурбинной установки мощностью 16 МВт типа ГТУ-16П разработки ОАО «Авиадвигатель» (Россия), используемой в качестве привода нагнетателя природного газа магистральных газопроводов. Результаты испытаний и последующая эксплуатация в составе газоперекачивающих агрегатов в системе ОАО «Газпром» полностью подтвердили эффективность изобретения и своевременную диагностику ухудшения параметров ГТУ из-за загрязнения газовоздушного тракта.