Вейвлет-анализ нестационарных процессов в центробежном компрессоре тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Лебедев, Александр Анатольевич

• Лебедев, Александр Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедев, Александр Анатольевич

Условные обозначения.

Введение.

1 Современное состояние проблемы.

Постановка задачи и цели исследования.

1.1 Состояние исследования нестационарных процессов (помпажа и вращающегося срыва).

1.2 Классификация нестационарных процессов в центробежном компрессоре.

1.3 Виды вращающегося срыва в центробежном компрессоре.

1.4 Актуальность выбранной темы.

1.5 Постановка задачи и цели исследования.

2 Объект исследования.

3 Методика экспериментального исследования.

3.1 Выбор метода экспериментального исследования.

3.2 Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов.

3.3 Выбор метода обнаружения предпомпажного состояния и определения информативных признаков.

4 Методика обработки сигналов.

4.1 Способы выявления скрытых периодичностей в нестационарных сигналах.

4.2 Вейвлет-анализ.

4.3 Анализ периодограммным методом.

4.4 Корреляционные функции.

4.5 Процедура обработки данных комбинированным методом обнаружения скрытых периодичностей.

5 Обработка экспериментальных данных.

5.1 Основные сведения об экспериментальных данных.

5.2 Результаты обработки испытаний ступени "КZ".

5.3 Результаты обработки испытаний ступени "NC".

5.4 Результаты обработки испытаний ступени "RB".

6 Анализ результатов обработки.

6.1 Серия экспериментов "KZ".

6.2 Серия экспериментов "NC".

6.3 Серия экспериментов "RB".

7 Информационные условия и их границы для выявления вращающегося срыва в алгоритме защиты от помпажа.

7.1 Информационные сведения для выявления вращающегося срыва.

7.2 Алгоритм защиты от помпажа центробежного компрессора.

7.3 Рекомендации по применению в противопомпажной системе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вейвлет-анализ нестационарных процессов в центробежном компрессоре»

Актуальность темы исследования. Центробежные компрессоры являются неотъемлемой частью современных производств, в таких отраслях промышленности как газотранспортная, нефтеперерабатывающая, металлургическая, машиностроительная, горнодобывающая, а также в электро- и теплоэнергетике. В некоторых случаях центробежный компрессор большой мощности является основным видом энергетического оборудования в компрессорных станциях магистрального газопровода, химических и нефтеперерабатывающих заводах, а также в промышленных холодильных установках, системах кондиционирования, и во многих других установках. Перебои в работе или выход из строя компрессора ведут к снижению прибыли или большим материальным убыткам. Следует создавать условия для безопасной (устойчивой) эксплуатации центробежного компрессора.

В настоящее время наблюдается стремление к увеличению единичной мощности, производительности, давления нагнетания и, как следствие, окружной скорости установки, параллельно идет процесс снижения металлоемкости. В результате возрастают динамические нагрузки, способствующие увеличению опасности разрушения высоконагруженных элементов не только конструкции компрессора, но и компрессорной установки в целом под воздействием нестационарных процессов. Поэтому существует потребность в исследованиях нестационарных процессов центробежного компрессора, целью которых является обеспечение эффективной, устойчивой и надёжной работы[62].

Помпаж - глобальная (полная) потеря устойчивости, недопустимое явление для центробежного компрессора. Защита компрессора от помпажа должна функционировать при его эксплуатации. Применяемые сейчас алгоритмы защиты центробежного компрессора от помпажа имеют недостатки, из-за которых невозможно надежно исключить помпаж. Поэтому разработка принципов и выбор информативных условий для построения робастного (быстрого качественного и надежного) и доступного приемлемого) алгоритма защиты центробежного компрессора от помпажа — актуальная задача.

Цели и задачи исследования. Настоящая диссертационная работа является продолжением цикла работ по исследованию нестационарных процессов в центробежном компрессоре, выполняемых на кафедре "Компрессорная, вакуумная и холодильная техника" (КВХТ) СПбГПУ под руководством профессора, д.т.н. P.A. Измайлова. Основными целями данной работы является определение информационных условий при применении данного метода для своевременного обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора и принципов построения антипомпаэюного алгоритма, основанного на этих условиях.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать существующие способы анализа нестационарных сигналов;

• выбрать способы и сформировать принципы построения алгоритмов на их основе для обнаружения периодической составляющей в нестационарном сигнале;

• проанализировать имеющиеся данные экспериментального исследования нестационарных процессов с измерением быстроменяющихся величин в типовых ступенях центробежного компрессора;

• обработать имеющиеся экспериментальные данные;

• проанализировать результаты обработки;

• разработать принципы формирования информационных условий, применительно к этому методу для своевременного обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора;

• разработать алгоритм антипомпажной защиты на основании данного метода.

Объектом исследования являются модельные ступени промышленных нагнетателей природного газа.

Предметом исследования в данной работе являются нестационарные процессы и порождаемые ими пульсации статического давления в неподвижных элементах проточной части центробежного компрессора.

Методы исследования и используемые инструментальные средства. Для экспериментального исследования нестационарных процессов в центробежном компрессоре используются разработанная под руководством проф. Р. А. Измайлова методика и информационно-измерительный комплекс кафедры КВХТ СПбГПУ. Для обработки сигналов применяются вейвлет разложение, спектральный анализ, кратковременный корреляционный анализ. Разработанная методика обработки сигналов реализована автором на платформе МаЙаЬ 7.0.1.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика обработки сигналов (способы обработки сигналов с целью обнаружения скрытых периодичностей, вейвлет-разложение, на его основе разработанный автором алгоритм для обнаружения скрытых периодичностей).

2. Результаты обработки цифровых записей испытания ступеней.

3. Информационные условия для обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора (при применении данного способа).

4. Антипомпажный алгоритм, построенный на основании данной методики.

Научная новизна. В данной работе получены следующие результаты:

1. Разработана методика обработки сигналов с целью обнаружения скрытых периодичностей с применением вейвлет-анализа.

2. Разработан алгоритм, выявляющий периодические составляющие в нестационарном сигнале.

3. Предложен алгоритм для параллельного выявления периодичностей.

4. Выявлена возможность работы алгоритма с короткими реализациями и применимость его для переходных режимов.

5. Предложено использование значений интервала периода в качестве критерия вместо периода и его отклонения.

6. Предложены информационные условия для определения границ значений интервалов на основе дополнительных критериев.

7. Предложена схема системы защиты центробежного компрессора от помпажа.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. На основе полученных результатов исследования возможно создание автоматической быстродействующей системы защиты центробежного компрессора от помпажа, позволяющей расширить зону эффективной работы и повысить надёжность установки.

2. Примененная методика анализа сигналов пригодна не только для явления пульсаций давления в центробежном компрессоре, но и для других нестационарных процессов.

3. Данная методика позволяет производить самодиагностику системы с целью обнаружения неисправности канала измерения.

4. Анализ сигналов позволяет обнаружить неисправности механической системы компрессора.

5. Разработанная методика применима для использования на уровне проектирования компрессора как системы и доводки компрессора.

Достоверность полученных результатов обеспечивается: а) использованием результатов испытаний модельных ступеней, применённых при проектировании натурных нагнетателей природного газа, выпускаемых промышленностью; б) использованием требуемой частоты дискретизации при записи пульсаций давления, выполняемой с помощью современной информационно-измерительной системы; в) дублированием измерений быстроменяющихся величин; г) сопоставлением полученных результатов с выполненными ранее исследованиями по измерению параметров нестационарного потока; д) использованием современных высокоскоростных и надежных алгоритмов выделения скрытых периодичностей.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертации докладывались на научных конференциях "XXXIII Неделя науки СПбГПУ" (СПб, 28 ноября - 3 декабря 2005 г.), "XXXIV Неделя науки СПбГПУ" (СПб, 20 - 25 ноября 2006 г.) и "Международная научно техническая конференция по компрессорной технике" Казань 2007 г. (Казань, май 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы пять печатных работ, две из которых в журналах "Компрессорная техника и пневматика" и "Научно технические ведомости " [24,25].

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав с заключением, списком использованной литературы из 146 наименований. Материал, изложен на 300 страницах машинописного текста и содержит 367 рисунков и 8 таблиц.