Система диагностирования предпомпажного состояния центробежного компрессора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Крутиков, Тимофей Евгеньевич

• Крутиков, Тимофей Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крутиков, Тимофей Евгеньевич

Условные обозначения и сокращения.,.стр.

Введение.стр.

1. Современное состояние проблемы. Постановка задач исследования.стр.

1.1 Аэродинамика нестационарных процессов в проточной части и помпаж.стр.

1.2 Общая характеристика нестационарных процессов.стр.

1.3 Виды вращающегося срыва, возникающие в центробежном компрессоре.стр.

1.4. Постановка задач и целей исследования.стр.

2. Объекты исследования.стр.

3. Методика экспериментального исследования.стр.

3.1 Выбор метода экспериментального исследования.стр.

3.2 Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов.стр.

3.3 Выбор метода диагностирования предпомпажного состояния и способа определения информативных признаков.стр.

4. Методика обработки данных.стр.

4.1 Выбор способа обработки данных.стр.

4.2 Свойства цифровых записей исследуемых процессов.стр.

4.3 Описание программного комплекса и процедур обработки данных, используемых в системе диагностики.стр.

4.4 Принцип действия разработанной системы диагностики предпомпажного состояния.стр.

5. Результаты экспериментального исследования.стр.

5.1 Экспериментальное исследование ступеней с лопаточными диффузорами.стр.

5.1.1 Серия экспериментов "КZ".стр.

5.1.2 Серия экспериментов "NC".стр.

5.1.3 Эксперимент "KZ-5".стр.

5.2 Экспериментальное исследование ступеней с безлопаточными диффузорами. Серия"КВ".стр.

6. Анализ полученных результатов.стр.

6.1 Серия экспериментов "KZ".стр.

6.2 Серия экспериментов "NC".стр.

6.3 Серия экспериментов "RB".стр.

6.4 Результаты работы системы диагностики предпомпажного состояния.стр.

6.5 Источники возникновения срыва.стр.

7. Рекомендации по использованию системы.стр.

Выводы.стр.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система диагностирования предпомпажного состояния центробежного компрессора»

Компрессоры являются одной из важнейших технологических и энергетических частей оборудования для повышения давления и транспортировки газов. Они используются в технологических процессах химической, нефтехимической нефтяной, угольной и газовой промышленности, металлургии, энергетике, машиностроении и других промышленных отраслях.

Центробежные компрессоры обладают такими преимуществами (по сравнению с компрессорами объемного действия), как хорошие массогабаритные показатели, отсутствие возвратно-поступательного движения, высокая технологичность конструкции, равномерная подача газа, отсутствие загрязнения газа маслом и возможность непосредственного соединения компрессора с высокооборотным приводом.

Диапазон применения центробежных компрессоров постоянно растет как по производительности, так и по достигаемым давлениям нагнетания. Постоянно растет число центробежных компрессоров в сфере компрессоров общего назначения, развивается производство центробежных компрессоров высокого и сверх высокого давления. Химическая и нефтехимическая промышленности, а также металлургия являются потребителями центробежных компрессоров специального назначения. Большое количество центробежных компрессоров используется в нефтяной и газовой промышленности при добыче нефти, газлифте, газосборе и транспортировки газа. Также очень широко центробежные компрессоры применяются в двигателях транспортных установок, в частности для наддува ДВС.

Широкое применение центробежных компрессоров в различных отраслях промышленности ставит задачи повышения надежности как отдельных деталей и элементов компрессоров, так и работы всей компрессорной установки в целом. Надежность компрессора определяется рядом факторов, из которых важнейшими являются динамическая прочность и йшмшша I оз ojs Period, sec Probe 1

Probe 2 °-21

РгоЬеЗ 0.17

-—

Pro be ♦ 0.13

--р-т

ProbeS

80m Mm I ntt r-T1;-'! rf'i ■< i~'T'" f i Probee a io in го » » эе no as во frame

Рис. 4.7 Изменение периодов автокорреляционных функций на режиме вращающегося срыва

7 Probe Number -6 \ i и1 . ; ■ ■ ; ' 5 * Probes wfltr PrettaJi 2 л 1 < . r ' 1 t -r 1 1 "f ! 1 1 1 ПТ1 1 : 1

1 -

L t!

2

Г1 t i i 1 jK Ж '.i.l .it. 1 i . , .

1 S 10 15 20 IS 30 >5 40 45 51 me t

Probe Numb»r

Т. • . . . J1'J ^ . ■ - д т

ГГ | I I | Т " ' Т 1 т ' Т j ' 'I I ' Г I t ' 1 ' Т • Т I Т I 1 г

6 ¥ Я VI it »* Ж Щ * »*

НПЯНШ!

5 * * * * » W- * W. * ч * » Ч pwbes wtthfltrsteit г * « 1

L 0 , у "У W'j* ИМИ Ж A Win Ж «

4 г*-»* ж ч*** ик*»^*»* я «-*-»*1

5 * ■Щ

5 10 15 М M 30 35 frame

Г ч

45 50

Рис. 4.8 Пример выходного результата функционирования системы обнаружения предпомпажного состояния: а) предсрыв; б) вращающийся срыв. По оси абсцисс — сегменты за время наблюдения. экономичность и надёжность.

Проблема обеспечения устойчивой работы компрессора в широком диапазоне изменения производительности, частоты вращения ротора и т.п. имеет очень большое значение, особенно при повышенном уровне давления перекачиваемой среды (нагнетателей природного газа, цикловых компрессоров химических производств). Для этого необходимо исследование нестационарных процессов в центробежных компрессорах с применением современных малоинерционных измерителей и процедур обработки информации, пригодных для периодических процессов, происходящих на фоне высокого уровня случайных составляющих, характерных для турбулентного потока с крупномасштабными пульсациями из-за отрывного характера движения газа в проточной части. Сложный характер процессов заставляет применять процедуры статистического анализа, в частности корреляционный анализ, что позволяет глубже понять физику процесса и обнаружить появление характерных процессов, в том числе вращающегося срыва, прогнозируя тем самым возможность попадания компрессора в зону помпажа. Построение систем антипомпажного диагностирования на основе предлагаемых принципов позволяет увеличить надёжность установок, расширить диапазон работы. Таким образом, тема диссертации является актуальной для компрессоростроения.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Крутиков, Тимофей Евгеньевич

229 Выводы

Проведено комплексоное исследование функционирования системы диагностики предпомпажного состояния в типовых проточных частях с помощью современных вычислительных средств. На основе анализа и обобщения полученных результатов дана качественная и количественная оценка характерных признаков предпомпажного состояния в проточных частях с безлопаточным и лопаточными диффузорами. Разработана автоматическая система диагностики предпомпажного состояния, применимая практически для любого типа центробежных компрессоров.

Таким образом применение предложенной системы диагности с одной стороны позволит расширить зону возможной работы центробежного компрессора за счет смещения границы срабатывания системы антипомпажной диагностики ближе к границе помпажа, а с другой стороны будет обеспечиваться надежное прогнозирование помпажного состояния в проточной части, позволяющее избежать аварийных ситуаций.

Получены следующие научные и практические результаты.

1. С применением современного программно-вычислительного комплекса и специально разработанных и программно реализованных алгоритмов проведён анализ результатов экспериментального исследования нестационарных процессов в типовых ступенях центробежного компрессора л

2. Разработан метод анализа нестационарных пульсаций давления и диагностирования предпомпажного состояния на основе признакового способа. В качестве характерного признака выбран вращающийся срыв — явление, непосредственно предшествующее помпажу и обладающее свойствами, позволяющими легко выявлять его на фоне других процессов.

3. На основе графического языка программирования Agilent VEE и интегрированной технической комплексной платформы MATLAB с использованием специально разработанных алгоритмов обработки и представления данных с применением цифровых фильтров, синхронного накопления, корреляционного анализа и преобразования Гильберта обработаны нестационарные пульсации давления, полученные при испытаниях трех серий экспериментов типовых проточных частей центробежного компрессора с безлопаточным и лопаточными диффузорами.

4. Проведен анализ полученных данных с точки зрения достоверности определения источников возникновения срыва и наличия ложных срабатываний системы диагностики.

5. Полученные результаты сопоставлены с существующими моделями нестационарных процессов в центробежных компрессорах, в частности, выявлены основные источники и причины возникновения вращающегося срыва в центробежном компрессоре.

6. Разработана структурная схема и алгоритм работы макета системы диагностики предпомпажного состояния, программно реализованный в среде Agilent VEE - MATLAB.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крутиков, Тимофей Евгеньевич, 2003 год

1. Анализ сигналов пульсаций в модели ступени нагнетателя магистрального газопровода: Отчет о НИР / СПбГТУ; Руковод. работы Измайлов Р.А.; №306604/803-509. СПб., 1996. - 38 с. - Исполн. Акульшин Ю.Д.

2. Анализ теоретических и экспериментальных материалов о возникновении нестационарных явлений в проточной части на предпомпажных режимах: Отчет о НИР / СПбГТУ; Измайлов Р.А.; №306415/803-226. СПб., 1995. -42 с. - Исполн. Акульшин Ю.Д.

3. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2000.- 464 с.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989. - 540 с.

5. Бухарин Н.Н. Моделирование характеристик центробежных компрессоров.- JL: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1983. -214 с.

6. Галеркин Ю.Б., Рекстин Ф.С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. — Л.: Машиностроение. Ленинградске отделение, 1969.-304 е., ил.

7. Галеркин Ю.Б. и др. Модернизация нагнетателей ГПА установкой новой проточной части с безлопаточными диффузорами. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1998. - №11. - С.22-28.

8. Грейтцер. Явление срыва потока в осевых компрессорах (обзор) // Тр.Амер.об-ва. инж.-мех. 1980. - №2. - С.72-97.

9. Ю.Гузельбаев Я. 3. Газодинамическая нестационарность процессов в центробежном компрессоре. Помпаж и способы его обнаружения.: Дисс. . канд.техн.наук. / КГТУ. Казань, 2000. - 144 с.

10. П.Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат. Лениградское отделение, 1990. - 192 с.

11. Ершов В.Н. Неустойчивые режимы турбомашин. М.: Машиностроение, 1966.- 178 е., ил.

12. З.Жаров В.Ф. Исследование нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора с лопаточными диффузорами: Дисс. .канд.техн.наук. /ЛПИ. Л., 1978. - 255 с.

13. Жуковский Н. Е. Вихревая теория гребного винта. Вихревая теория центробежного вентилятора. ПСС, М. - Л.: ОНТИ НКТП, 1937. Т.6. с. 164176.

14. Измайлов Р.А. и др. Разработка системы диагностики предпомпажного состояния центробежного компрессора // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1998. - №11. - С.31-34.

15. Измайлов Р. А Нестационарные аэродинамические процессы в центробежных компрессорах: Дисс. . док.техн.наук. / ЛПИ им. Калинина. -Л., 1987.-340 с.

16. Исследование нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на элементы конструкции нагнетателей природного и нефтяного попутного газа: Отчет о НИР / ЛГТУ; Руковод. работы Измайлов Р.А.; №306808. — Л., 1994. -28 с.

17. Кампсги Н. Аэродинамика компресссоров. — М.: Мир, 2000. 688 е., ил.

18. Караджи В.Г. Иссследование нестационарности потока в проточной части ступени центробежного компрессора с безлопаточными диффузорами: Дисс. .канд.техн.наук / ЛПИ. Л., 1977. - 211 с.

19. Каталог продукции фирмы // L-Kard. М., 2000. С. 18.

20. Кононов С.В. Структура нестационарного потока в ступени центробежного компрессора с безлопаточным диффузором и выбор информативных параметров для диагностики неустойчивой работы: Дисс. .канд.техн.наук. /ЛПИ.-Л., 1985.-246 с.

21. Крутиков Т.Е. Исследование нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора методом корреляционного анализа: Магистерская работа / СПбГТУ. СПб., 2000, - 128 с.

22. Ланге Ф. Корреляционная электроника. — Л.: Судпромгиз, 1963. -448 с.

23. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x.: В 2 т. - М.: Диалог-МИФИ, 1999.

24. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978.-848 с.

25. Разработка конструктивных рекомендаций по использованию нестационарных явлений в качестве сигнала противопомпажной защиты: Отчет о НИР / СПбГТУ; Руковод. работы Измайлов Р.А.; №3064037. -СПб., 1994. 44 с. - Исполн. Акулыпин Ю.Д.

26. Рандалл Р.Б. Частотный анализ. Глоструп.: Брюль и Къер, 1989. - 388 с.

27. Самойлович Г.С. Нестационарное обтекание и аэроупругие колебания решеток турбомашин. — М.: Наука, 1969. 444 е., ил.

28. Сеноо И., Киносита И. Влияние условий течения на входе и геометрии безлопаточных диффузоров ЦК на критический угол, соответствующийвозникновению обратного течения. // Тр. Амер. об-ва. Инж.-мех./ Теретич.осн.инж.расч. — 1977. №1. - С. 197-203.

29. Создание макетного образца системы противопомпажного регулирования ГПА: Отчет о НИР / СПбГТУ; Руковод. работы Измайлов Р.А.; №306415/803-226. СПб., 1995. - 52 с. - Исполн. Акулынин Ю.Д.

30. Телевной А.А Исследование нестационарных процессов в проточной части промежуточной ступени центробежного компрессора с безлопаточным диффузором: Дисс. канд.техн.наук./ЛПИ. — Л., 1975, —263 с.

31. Теоретическо-экспериментальная оптимизация центробежных ступеней и сухих уплотнений нагнетателей природного газа и дожимных компрессоров: Отчет о НИР / Руковод. работы Галеркин Ю.Б. — СПбГТУ. -№306414/803-257. СПб., 1997. - 56 с.

32. Техническая справка по опытной системе противопомпажной сигнализации ГПА "Нева-16": Отчет о НИР / СПбГТУ; Руковод. работы Измайлов Р.А.; №К-6020. СПб., 2001. - 29 с.

33. Функциональный модуль антипомпажного регулирования Series 4. Руководство UM4102 (3.2). USA: Des Moines, 1999. - 219 p.

34. Хемминг P.B. Цифровые фильтры. — М.: Советское радио, 1980. 224 с.

35. Шайдак Б.П. и др. Турбины и компрессоры Невского завода // Турбины и компрессоры. 1997. - №1. С.10-21.

36. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.- М.: Наука, 1973. 303 с.

37. Янсен В. Вращающийся срыв потока в радиальном безлопаточном диффузоре // Тр.Амер.об-ва. инж.-мех. / Теоретич.осн.инж.расч. — 1964. -№3. С. 140-150.

38. Chen Y. N.: The vortax behavor of the rotating stall cell of a centrifugal compressor with vaned diffuser. — Winterthur: Sulzer Brothers Ltd, 1992. -42 c.

39. Cheshire L. The design and development of centrifugal compressors for aircraft gas turbines. Proc IMechE, 1945.

40. Emmons, Pearson, Grant. Compressor surge and stall propagation. // Trans ASME Journal of Engeneering for Power. 1955

41. Emmons, Krpnauer, Rockett. A survey of stall propagation experiment and theory // ASME Journal of basic engineering. — 1959. pp.409-416.

42. Fischer K., Thoma D. Investigation of the flow conditions in a centrifugal pumpe. // Trans ASME. 1932. - vol. 54. - No 2. - pp. 141-155.

43. Gravdahl J. Modeling and Control of surge and rotating stall in compressors: Dr. ing. thesis. Trondheim, 1998.

44. Greitzer. The stability of pumping systems // ASME — Journal of fluids engineering. 1981. - vol. 103. - No 2. - pp.193-242.

45. Greitzer, Moor. A theory of post-stall transients in an axial compressor systems: Part II — Application // Journal of engineering for gas turbines and power. — 1975. pp.231-239.

46. Grunagel E. Flussigkeitsbewegung in umlaufenden radialradern // VDI-Forschungsheft. 1940. - s.405.51 .http:/ www.matlab.ru

47. Japikse D. Turbomachineiy diffuser design technology. Norwich: Concepts ETI, 1984.-437 p.

48. Pampren R.Compresor surge and stall. Norwich: Concepts ETI, 1993. - 246 p. 54.Sorokes J. Recent experiences in full load, full pressure shop testing of a highpressure gas injection centrifugal compresor. Olean: Dresser-Rand TP, 1994. — 100 p.

49. Sorokes J. Rotating stall — an overview of Dresser-Rand Experience. — Olean:

50. Dresser-Rand TP, 1996. 56. VEE PRO Benutzerhandbuch. Agilent technologies, 2000. 644 p.1. Ф= 0.033410 20 30ширина диффузора, мм1. Ф=0.0444250 200150о на 100 50