Современные методы энергоаудита турбоагрегатов
Современные методы энергоаудита турбоагрегатов
Шамеко С.Л., Докукин В.Н.
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
В статье рассмотрены вопросы автоматизации газодинамических испытаний стационарных турбокомпрессорных агрегатов в условиях эксплуатации. Предложен новый способ сбора и обработки опытных данных в режиме реального времени с использованием современных АСУ химических и нефтехимических предприятий. Апробирована уточненная методика пересчета газодинамических характеристик многоступенчатых турбокомпрессоров на иные начальные условия.
Ключевые слова: энергоаудит, турбокомпрессоры, газодинамические испытания.
Modern methods of turbine energy audit
S.L. Shameko, V.N. Dokukin St. Petersburg State University Refrigeration and Food Engineering
The article shows the automatization of gas-dynamic testing of stationary turbo units in operation. A new method of collecting and processing experimental data in real time is using advanced process of control in chemical and petrochemical plants. Tested the improved method of conversion of gas-dynamic characteristics of multistage turbochargers for other initial conditions.
Key words: Energy Audit, turbochargers, gas-dynamic tests.
В настоящее время большая часть турбокомпрессорных агрегатов, используемых в разнообразных технологических линиях и производствах, находится в работе на протяжении нескольких десятков лет и не соответствует требованиям экономичной и безопасной работы. В связи с этим довольно остро стоит проблема экономии энергоресурсов и повышения надежности агрегатов. Для решения этих задач необходимо располагать данными о фактическом состоянии машины, что достигается проведением газодинамических и механических испытаний агрегата в условиях эксплуатации. Отметим, что отклонение рабочих режимов от паспортных обусловлено не только физическим старением машин, но и несоответствием начальных параметров (начальной температуры tн, начального давления pн, состава газа и т.д.) расчетным значениям.
На большинстве предприятий технические возможности стационарных систем управления и контроля технологическими процессами (АСУТП) позволяют собирать и обрабатывать необходимую информацию в режиме
1
реального времени непосредственно в период испытаний турбоагрегатов (рис.1).
Компрессор
Рис.1 Газодинамическая мнемосхема турбоагрегата (вид с монитора стационарной АСУТП)
Система сбора и обработки опытных данных в режиме реального времени представляет собой портативный программно-измерительный комплекс, состоящий из ноутбука с установленной SCADA «Winlog-pro» и коммуникаций для подключения к стационарной АСУТП (рис.2).
Рис.2 Связь программно-измерительного комплекса со стационарной АСУТП и объектом испытаний
В программном обеспечении «Winlog-pro» реализованы алгоритмы обработки опытных данных и пересчета газодинамических характеристик неохлаждаемых секций центробежных компрессоров на номинальные начальные условия. За основу приведения опытных данных к номинальным начальным условиям нами принята методика, разработанная проф. В.Ф. Рисом [1]:
2
Объемная
производительность
секции
по
условиям
всасывания:
Q0
n0 n
Q;
Повышение
температуры
секции:
T0
n0 n
2
kk0 1RZ k0 k 1R0Z0
T
;
Число
политропы:
0
k
k
0
0
1
пол
;
Отношение
давлений
секции:
0
1
T0 Tн0
0
;
Внутренняя мощность секции:
Ni0
n0 n
3
н0
н
Ni
,
где подстрочным индексом 0 обозначены параметры приведения, а
все
обозначения соответствуют принятым в монографии [1]. Для определения действительного расхода по показанию прибора вносится соответствующая поправка:
Qg( 0 ) Qg
g ;
g( 0 )
Qg( 0 ) Qg
p0TZ
pT0 Z0 ,
где Qg – расход газа, приведенный к стандартным условиям, то есть к 00С и 760 мм.рт.ст., либо к 200С и 760 мм.рт.ст.;
ρg – плотность газа, приведенная к соответствующим стандартным
условиям.
Параметры с подстрочным индексом 0 соответствуют действительным
параметрам газа, а без индекса – параметрам, участвующим в расчете
сужающего устройства.
Обработка опытных данных в режиме реального времени по заданным
алгоритмам позволяет отображать фактический режим работы на
прогнозируемых газодинамических характеристиках турбоагрегата в течение
всего периода проведения эксплуатационных испытаний (рис.3).
Рис.3 Газодинамические характеристики турбоагрегата в период испытаний (вид с монитора программно-измерительного комплекса)
- фактический режим работы турбоагрегата (мгновенное значение)
3
Отметим, что вышеописанная методика приведения опытных данных к номинальным начальным условиям справедлива лишь для одиночной ступени центробежного компрессора, а для многоступенчатых проточных частей (неохлаждаемых секций) является весьма приближенной [2]. Однако, структура SCADA системы, используемой в программно-измерительном комплексе, обладает возможностью «наращивания» уже реализованных алгоритмов, что позволило применить уточненную методику, предложенную проф. Г.Н. Деном [2,3], и апробированную авторами на ряде натурных компрессоров [4].
Использование программно-измерительного комплекса в период газодинамических испытаний турбоагрегата позволяет в режиме реального времени:
- оценить энергетическую эффективность работы агрегата; - сравнить фактические режимы работы с гарантийными характеристиками; - контролировать положение рабочей точки относительно расчетной кривой (возможность отстройки от помпажа, торможения и других нестационарных режимов); - контролировать вибрационное состояние опор агрегата; - оценить износ механических и уплотнительных узлов. По результатам газодинамических и механических испытаний выполняется полный анализ фактической работы турбокомпрессорного агрегата. В зависимости от требований Заказчика разрабатываются рекомендации по: снижению удельного энергопотребления; повышению/снижению производительности агрегатов; замене существующего оборудования; повышению надежности турбомашин.
Список литературы: 1. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины.– Л.:”Машиностроение”,1981, - 351 c. 2. Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров. – Л.:”Машиностроение”,1980. 3. Ден Г.Н., Куликов В.М. О критериях подобия при сжатии реальных газов, моделирование проточных частей и пересчет газодинамических характеристик ЦКМ на иные условия работы // Турбины и компрессоры. №1,2-2000, c.49-51. 4. Шамеко С.Л., Докукин В.Н. (СПбГУНиПТ, Санкт-Петербург) Использование информационных технологий при оценке энергетической эффективности турбоагрегатов // Труды V международной научно-технической конференции «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В XXI ВЕКЕ», 2011, с.69.
4
Шамеко С.Л., Докукин В.Н.
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
В статье рассмотрены вопросы автоматизации газодинамических испытаний стационарных турбокомпрессорных агрегатов в условиях эксплуатации. Предложен новый способ сбора и обработки опытных данных в режиме реального времени с использованием современных АСУ химических и нефтехимических предприятий. Апробирована уточненная методика пересчета газодинамических характеристик многоступенчатых турбокомпрессоров на иные начальные условия.
Ключевые слова: энергоаудит, турбокомпрессоры, газодинамические испытания.
Modern methods of turbine energy audit
S.L. Shameko, V.N. Dokukin St. Petersburg State University Refrigeration and Food Engineering
The article shows the automatization of gas-dynamic testing of stationary turbo units in operation. A new method of collecting and processing experimental data in real time is using advanced process of control in chemical and petrochemical plants. Tested the improved method of conversion of gas-dynamic characteristics of multistage turbochargers for other initial conditions.
Key words: Energy Audit, turbochargers, gas-dynamic tests.
В настоящее время большая часть турбокомпрессорных агрегатов, используемых в разнообразных технологических линиях и производствах, находится в работе на протяжении нескольких десятков лет и не соответствует требованиям экономичной и безопасной работы. В связи с этим довольно остро стоит проблема экономии энергоресурсов и повышения надежности агрегатов. Для решения этих задач необходимо располагать данными о фактическом состоянии машины, что достигается проведением газодинамических и механических испытаний агрегата в условиях эксплуатации. Отметим, что отклонение рабочих режимов от паспортных обусловлено не только физическим старением машин, но и несоответствием начальных параметров (начальной температуры tн, начального давления pн, состава газа и т.д.) расчетным значениям.
На большинстве предприятий технические возможности стационарных систем управления и контроля технологическими процессами (АСУТП) позволяют собирать и обрабатывать необходимую информацию в режиме
1
реального времени непосредственно в период испытаний турбоагрегатов (рис.1).
Компрессор
Рис.1 Газодинамическая мнемосхема турбоагрегата (вид с монитора стационарной АСУТП)
Система сбора и обработки опытных данных в режиме реального времени представляет собой портативный программно-измерительный комплекс, состоящий из ноутбука с установленной SCADA «Winlog-pro» и коммуникаций для подключения к стационарной АСУТП (рис.2).
Рис.2 Связь программно-измерительного комплекса со стационарной АСУТП и объектом испытаний
В программном обеспечении «Winlog-pro» реализованы алгоритмы обработки опытных данных и пересчета газодинамических характеристик неохлаждаемых секций центробежных компрессоров на номинальные начальные условия. За основу приведения опытных данных к номинальным начальным условиям нами принята методика, разработанная проф. В.Ф. Рисом [1]:
2
Объемная
производительность
секции
по
условиям
всасывания:
Q0
n0 n
Q;
Повышение
температуры
секции:
T0
n0 n
2
kk0 1RZ k0 k 1R0Z0
T
;
Число
политропы:
0
k
k
0
0
1
пол
;
Отношение
давлений
секции:
0
1
T0 Tн0
0
;
Внутренняя мощность секции:
Ni0
n0 n
3
н0
н
Ni
,
где подстрочным индексом 0 обозначены параметры приведения, а
все
обозначения соответствуют принятым в монографии [1]. Для определения действительного расхода по показанию прибора вносится соответствующая поправка:
Qg( 0 ) Qg
g ;
g( 0 )
Qg( 0 ) Qg
p0TZ
pT0 Z0 ,
где Qg – расход газа, приведенный к стандартным условиям, то есть к 00С и 760 мм.рт.ст., либо к 200С и 760 мм.рт.ст.;
ρg – плотность газа, приведенная к соответствующим стандартным
условиям.
Параметры с подстрочным индексом 0 соответствуют действительным
параметрам газа, а без индекса – параметрам, участвующим в расчете
сужающего устройства.
Обработка опытных данных в режиме реального времени по заданным
алгоритмам позволяет отображать фактический режим работы на
прогнозируемых газодинамических характеристиках турбоагрегата в течение
всего периода проведения эксплуатационных испытаний (рис.3).
Рис.3 Газодинамические характеристики турбоагрегата в период испытаний (вид с монитора программно-измерительного комплекса)
- фактический режим работы турбоагрегата (мгновенное значение)
3
Отметим, что вышеописанная методика приведения опытных данных к номинальным начальным условиям справедлива лишь для одиночной ступени центробежного компрессора, а для многоступенчатых проточных частей (неохлаждаемых секций) является весьма приближенной [2]. Однако, структура SCADA системы, используемой в программно-измерительном комплексе, обладает возможностью «наращивания» уже реализованных алгоритмов, что позволило применить уточненную методику, предложенную проф. Г.Н. Деном [2,3], и апробированную авторами на ряде натурных компрессоров [4].
Использование программно-измерительного комплекса в период газодинамических испытаний турбоагрегата позволяет в режиме реального времени:
- оценить энергетическую эффективность работы агрегата; - сравнить фактические режимы работы с гарантийными характеристиками; - контролировать положение рабочей точки относительно расчетной кривой (возможность отстройки от помпажа, торможения и других нестационарных режимов); - контролировать вибрационное состояние опор агрегата; - оценить износ механических и уплотнительных узлов. По результатам газодинамических и механических испытаний выполняется полный анализ фактической работы турбокомпрессорного агрегата. В зависимости от требований Заказчика разрабатываются рекомендации по: снижению удельного энергопотребления; повышению/снижению производительности агрегатов; замене существующего оборудования; повышению надежности турбомашин.
Список литературы: 1. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины.– Л.:”Машиностроение”,1981, - 351 c. 2. Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров. – Л.:”Машиностроение”,1980. 3. Ден Г.Н., Куликов В.М. О критериях подобия при сжатии реальных газов, моделирование проточных частей и пересчет газодинамических характеристик ЦКМ на иные условия работы // Турбины и компрессоры. №1,2-2000, c.49-51. 4. Шамеко С.Л., Докукин В.Н. (СПбГУНиПТ, Санкт-Петербург) Использование информационных технологий при оценке энергетической эффективности турбоагрегатов // Труды V международной научно-технической конференции «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В XXI ВЕКЕ», 2011, с.69.
4