Спосіб параметричної ідентифікації фактичних характеристик газоперекачувального агрегату компресорної станції

1. Спосіб параметричної ідентифікації фактичних характеристик газоперекачувального агрегату (ГПА) компресорної станції, що містить математичні залежності визначення параметрів та величин експлуатації ГПА, що базуються на показниках приладів, що відповідають різним методам визначення потужності і технічного стану газотур 3 ния проточной части газоперекачивающих агрегатов с турбоприводом. М.: Оргтехдиагностика, 1983г.], прийняті нами за найближчий аналог, де найбільш повно викладені математичні залежності визначення параметрів та величин експлуатації ГПА, що базуються на показниках приладів і де використано основні положення щодо методики вимірювання й обробки результатів експлуатаційних випробувань, викладених у нормативних документах, що відповідають різним методам визначення потужності і технічного стану газотурбінної установки (ГТУ) і відцентрових нагнітачів (ВЦН). Визначення ефективної потужності ВЦН за даним методом, опосередковано враховує механічні втрати потужності в підшипниках ВЦН. Надані значення механічних втрат для агрегатів різних типів в даній методиці можуть за довгий термін експлуатації не відповідати дійсності. Ще одним недоліком у цій методиці є те, що в ній зазначено, що для визначення теплотехнічних параметрів достатньо провести випробування лише на одному (експлуатаційному) режимі, що є не достатнім, оскільки похибка визначення реального стану може бути дуже значною. Основні положення вищенаведених "Методичних вказівок" застосовуються і в СОУ 60.330019801-011 [СОУ 60.3-30019801-011:2004 Компресорні станції. Контроль теплотехнічних та екологічних характеристик газоперекачувальних агрегатів], де змінені умови щодо необхідних замірів і вимог до них. Особливістю наведених методик є відсутність визначення характеру впливу різних величин та параметрів на основні показники експлуатації та методики розрахунку похибки замірів даних величин. Окрім того, поза зоною уваги залишається питання врахування різниці значень заміряних величин та параметрів роботи обладнання від фактичних їх значень з врахуванням можливих змін у їх стані та прогнозування загального стану ГПА під час його експлуатації. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити спосіб параметричної ідентифікації фактичних характеристик газоперекачувального агрегату компресорної станції, яка дозволить здійснювати обрахунок основних величин та характеристик експлуатації, які стосуються надійності, економічності та екологічності роботи обладнання, забезпечити можливість здійснення комплексного системного аналізу стану обладнання, постійного моніторингу параметрів та визначення оптимальних режимів його експлуатації за рахунок замірів параметрів та обрахунок їх послідовно один за одним на підставі формул та рівнянь. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб параметричної ідентифікації фактичних характеристик газоперекачувального агрегату компресорної станції ґрунтується на реалізації алгоритму послідовних дій. Реалізація кожної дії вимагає здійснення комплексного аналізу та систематизування характеристик та параметрів. Враховуючи значний перелік обладнання КС, остаточний результат можливо отримати лише після системного аналізу усього комплексу різних типів чинників, які безпосередньо чи опосередковано 67093 4 характеризують величини і характеристики експлуатації обладнання на здійснення компримування природного палива для його транспортування магістральними газопроводами (МГ). Суть корисної моделі пояснюється кресленням - Фіг. - на якому зображено алгоритм ідентифікації фактичних характеристик ГПА КС. Спосіб параметричної ідентифікації фактичних характеристик ГПА КС складається з послідовної реалізації наступних дій (Фіг.): 1) визначення основних та допоміжних величин та вимірювальних об'єктивних та точних параметрів та показників роботи устаткування; 2) ідентифікація основних величин, які характеризують технічний стан та ефективність роботи ГПА за допомогою математичних залежностей, які поєднують основні та допоміжні величини; 3) комплексний параметричний аналіз і порівняння показників реального стану обладнання з паспортними даними; 4) виявлення похибки ідентифікації параметрів та фактичних характеристик; 5) надання висновків щодо реального стану агрегату на підставі проведеної ідентифікації параметрів експлуатації та рекомендацій для надійної роботи устаткування; 6) визначення реальних характеристик та складання банку даних фактичних величин експлуатації. Спосіб параметричної ідентифікації фактичних характеристик газоперекачувального агрегату компресорної станції реалізується наступним чином. Визначення основних величин, які характеризують технічний стан та ефективність роботи ГПА, передбачає визначення 69 параметрів, з яких 22 вимірюються приладами, 45 розраховуються і 2 знаходяться за довідковою літературою. Тому, на першому етапі запропонованої параметричної ідентифікації фактичних характеристик газоперекачувального агрегату компресорної станції визначають основні та допоміжні величини, які вимірюються приладами і які необхідні для подальшого розрахунку. На другому етапі визначають значення основних величин, які характеризують технічний стан та ефективність роботи ГПА за допомогою математичних залежностей, які поєднують основні та допоміжні параметри. Запропоновано визначення наступних 7 основних величин, що характеризують технічний стан та ефективність роботи ГПА, а саме: 1) приведена витрата природного газу; 2) потужність ГПА; 3) коефіцієнт корисної дії (ККД) ГТУ; 4) ККД нагнітача; 5) приведена частота обертання валу турбіни нагнітача; 6) приведена частота обертання валу турбіни високого тиску; 7) максимальна приведена температура на виході з силової турбіни або на вихлопі ГПА перед регенератором. 5 67093 Визначення вищенаведених величин відбувається за наступними математичними залежностями. 1) Приведена витрата природного газу визначається за формулою: Gпг пр  Gпг  288 0,1013 Н   cm кг/год., ta  273 133  10 4  Pa Hu , (1), де Gпг - витрата паливного газу, кг/год. tа - температура зовнішнього повітря, °C; Ра - атмосферний тиск, мм.рт.ст.; Нсm - нормативна нижча теплотворна здатність паливного газу, яка залежить від складу палива і 3 його концентрації, ккал/нм ; Нu - нижча теплотворна здатність паливного 3 газу в даний момент часу, ккал/нм . 2) Потужність ГПА знаходять за формулою: NГПА=Ne, МВт (2), де Nе - фактична потужність газотурбінного двигуна (ГТД), МВт і дорівнює 0,5 Ne=P2·(t2+273) ·В (2.1), де Р2 - абсолютний тиск газів на виході ГТД, МПа, який визначають за формулою: 4 3 Р2=1,33·10- ·Ра+10- ·ΔР2 (2.2), де Ра - атмосферний тиск, мм.рт.ст.; ΔP2 - втрата тиску у вихідному пристрої ГПА, кПа; t2 - температура газів за силовою турбіною (СТ) або на вихлопі ГПА перед регенератором, °C; В - параметр потужності, який визначають за базовою характеристикою ГТД: B=f(Т) (2.3), де Т - загальний ступінь зниження тиску газів у турбіні, що дорівнює 6  0,1237 0,3468 0,1188   a1н     1н  1н 1н 4  1н2    0,0291 0,0273 0,039   2 b1н     (3.6), 1н 3   2 1н 5  1н  1н  де 1н - приведена температура газу на вході у ВЦН, яка дорівнює: (3.7), 1н=(t1н+273)/Ткр де t1н - температура на вході у ВЦН, °C; Ткр - критична температура газу, К, що дорівнює: Ткр=99,9+162,8·Δ (3.8), де Δ - відносна густина газу за повітрям: Δ=ρ0/1,205 (3.9), 3 де ρ0 - густина газу за нормальних умов, кг/м ; 1Н - приведений тиск газу на вході у ВЦН, який розраховують за формулою: -4 1н=(P1н+1,33·10 ·Pа)/Pкp (3.10), де Ркр - критичний тиск газу, МПа, що дорівнює: Ркр=4,67-0,1·Δ (3.11), R - газова стала, кДж/кгК: R=0,346/ρ0 (3.12). 4) Коефіцієнт корисної дії нагнітача (політропний ККД ВЦН) розраховують за залежністю: l пол  пол % (4), lі де lпол - питома політропна робота стиснення газу у ВЦН, кДж/кг, що дорівнює: lпол  4 P1  133  10  Pa , (2.4), P2 де Р1 - надлишковий статичний тиск газів перед турбіною високого тиску (ТВТ), МПа. 3) Коефіцієнт корисної дії газотурбінної установки розраховують за формулою: Ne e  % (3), Qmen T  де Qmen - фактична витрата теплоти, МВт, яка дорівнює: Qmen=Qпг·Hu (3.1), 3 де Qпг - об'ємна витрата паливного газу, м /с, що знаходиться за формулою: G Qпг  пг (3.2), 1н 3 де ρ1н - густина газу на вході ВЦН, кг/м , яка дорівнює: Р1н  133  104  Ра , (3.3), Z1н  R  t1н  273 - надлишковий тиск газу перед ВЦН,  1н  103  де Р1н 2 кгс/см . Z1Н - коефіцієнт стиснення природного газу. Коефіцієнт стисливості газу на вході нагнітача визначають з модифікованого рівняння стану "Бенедикта-Вєбба-Рабіна" (BWR): 3 2 Z1н -Z1н -a1н·Z1н-b1н=0 (3.4), (3.5), де  n v 1    nv  Z1н  R  t1н  273    n v  1 nv  1     nv nv  1 (4.1), - показник політропного процесу стискання газу у ВЦН, який визначають за формулою: nv ln   nv  1 ln Z2н  t 2н  273 (4 2), Z1н  t1н  273 де ε - ступінь підвищення тиску у ВЦН, який дорівнює:  Р2н  133  104  Ра , (4.3), Р1н  133  10 4  Ра , де Р2н - надлишковий тиск газу за ВЦН, 2 кгс/см ; Р1н - надлишковий тиск газу перед ВЦН, 2 кгс/см ; Z2н - коефіцієнт стисливості газу на виході нагнітача визначають з модифікованого рівняння стану "Бенедикта-Вєбба-Рабіна" (BWR) 3 2 Z2н -Z2н -а2н·Z2н·Z2н-b2н=0 (4.4), де  0,1237 0,3468 0,1188   a2н     (4.5), 2н  2н 2н 4  2н2    0,0291 0,0273 0,039   2 b2н     (4.6), 2н   2 2н 5  2н3 2н   де 2н - приведена температура газу на виході з ВЦН, яка дорівнює: 7 67093 2н=(t2н+273)/Tкp (4.7), де t2н - температура на виході з ВЦН, °C; 2н - приведений тиск газу на виході з ВЦН, що дорівнює: -4 2н=(Р2н+1,33·10 ·Ра)/Ркр (4.8), t1н - температура на вході у ВЦН, °C; lі - питома повна робота ВЦН, кДж/кг, яка визначається за формулою: lіі2н-і1н (4.9), де і2н - питома ентальпія природного газу на виході нагнітача, кДж/кг, яка в свою чергу дорівнює: і2н=і02н-RТкрі2н (4.10), де і02н - питома ентальпія ідеального газу, кДж/кг, яка дорівнює: і02н=(2,6·R+0,149)·(t2н+273)+ (4.11), -3 2 +1,225·10 ·(t2н+273) δi2н - поправка до питомої ентальпії, що враховує відхилення реального газу від ідеального і дорівнює: i2н  2    2н  2н    Z2н  1  2н   с 2н   d2н     Z   Z2н  2н    2н 2н    де с 2н  d2н  (4.12), 0,3468 0,3564 ;  2н 2н3 1  0,0273 0,117  ,   2  2н 2н3    і1н - питома ентальпія природного газу на вході нагнітача, кДж/кг, яка дорівнює: і1н=і0lн-R·Ткр·δi1н (4.13), де і01н - питома ентальпія ідеального газу, кДж/кг: і01н=(2,6·R+0,149)·(t1н+273)+ (4.14), -3 2 +1,225·10 ·(t1н+273) δi1н - поправка до питомої ентальпії, що враховує відхилення реального газу від ідеального, яка дорівнює: i1н  2    1н  1н     1н   с1н   d1н    Z     Z1н  1 Z1н  1н    1н 1н    де с1н  d1н  (4.15), 0,3468 0,3564 ;  1н 1н3 1  0,0273 0,117  ,   2  1н 1н3    5) Приведена частота обертання валу турбіни нагнітача визначається за формулою; nТН пр  nТН  288 , об/хв ta  273 (5), де nТН - частота обертання валу турбіни нагнітача, об/хв. 6) Приведена частота обертання валу турбіни високого тиску дорівнює: nТВТ пр  nТВТ  288 , об/хв ta  273 (6), де nТВТ - частота обертання валу турбіни високого тиску, об/хв. 8 7) Максимальна приведена температура за СТ або на вихлопі ГПА перед регенератором розраховується за виразом: 288 t 2 пр  T2   273 ,°C (7), t a  273 де Т2 - абсолютна температура газів за СТ або на вихлопі ГПА перед регенератором, К. За вищенаведеними математичними виразами, розраховують основні величини, що характеризують технічний стан та ефективність роботи ГПА, після чого відбувається комплексний параметричний аналіз і порівняння показників реального стану обладнання з паспортними даними. Для цього спочатку кожний основний параметр порівнюється з паспортними і оптимальними значеннями, а в разі не відповідності будь-якого основного параметру, перевіряється відповідність величин, які вимірюються вимірювальними приладами, які входять до цього параметру. На четвертому етапі відбувається виявлення похибки ідентифікації фактичних характеристик. Після цього, відбувається надання висновків щодо реального стану агрегату на підставі проведеної ідентифікації параметрів експлуатації та рекомендацій для надійної роботи устаткування. На основі запропонованого у цій роботі алгоритму визначення фактичних характеристик ГПА на основі параметричної ідентифікації характеристик реалізується можливість подальшої ефективної експлуатації обладнання, яка суттєво зменшить витрати на підтримку ГПА у роботоспроможному стані за рахунок об'єктивної інформації для формування планів ремонтів та реновації обладнання КС, дозволить оптимізувати технологічні процеси та підвищити надійність транспортування газу. Спосіб параметричної ідентифікації фактичних характеристик ГПА КС базується на системному та комплексному аналізі параметрів і характеристик експлуатації ГПА з реалізацією нового типу менеджменту у газотранспортній системі і врахуванням державної політики з її розвитку та забезпечення надійності роботи на довготермінову перспективу. Спосіб параметричної ідентифікації фактичних характеристик газоперекачувального агрегату компресорної станції розроблена для впровадження з метою визначення фактичного стану допоміжного та основного обладнання, підвищення безпеки експлуатації обладнання на КС, удосконалення галузевих стандартів з визначенням алгоритму оптимізації та загальної методології покращення умов експлуатації агрегатів та установок на реальному об'єкті транспорту газу. Запропонований спосіб закладає підґрунтя для переходу на новий рівень менеджменту у газотранспортній системі, покращення якості та надійності експлуатації обладнання, об'єктивного моніторингу комплексу параметрів та технікоекономічних показників, аналізу реального стану та подовження моторесурсу газоперекачувальних агрегатів компресорних станцій за рахунок оптимізації міжремонтних термінів. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 67093 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601