Автореферат (Повышение эффективности работы газотурбинного газоперекачивающего агрегата авиационного типа в межремонтный период), страница 2

По теме диссертационной работы опубликованы 6 печатныхработ, из них 4 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК при Министерственауки и высшего образования Российской Федерации.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трехглав, заключения и списка литературы в количестве 102 наименований. Общий объемдиссертации составляет 136 станиц и включает 16 таблиц и 32 рисунка.7ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, степеньеё разработанности, сформулированы цели, задачи, научная новизна и теоретическаяи практическая ценность работы, описана методология и методы исследования, атакже степень достоверности и апробации результатов диссертационной работы.В первой главе рассмотрены основные способы повышения эффективностиэксплуатациигазоперекачивающихагрегатовнакомпрессорныхстанцияхмагистральных газопроводов. Дается описание причин снижения эффективностиработыгазотурбинныхгазоперекачивающихагрегатов(ГГПА)испособовподдержания газотурбинного двигателя (ГТД) на высоком эксплуатационном уровнев межремонтный период эксплуатации.Установлено, что основной причиной снижения технического состояниягазотурбинных газоперекачивающих агрегатов в межремонтный период являетсязагрязнение проточной части осевого компрессора (ОК) газотурбинной установки(ГТУ).

Загрязнение ОК ГТУ приводит к снижению расхода воздуха до 6 %, при этомпадение адиабатного КПД процесса сжатия в осевом компрессоре достигает 5 %. Этов свою очередь приводит к снижению располагаемой мощности ГТУ до 10 % иэффективного КПД на 5 %. На основании рассмотрения механизмов попаданиячастиц пыли, сажи и других веществ образующих загрязнения, на аэродинамическиеповерхности осевого компрессора и способов их прилипания к данным поверхностям,было установлено, что наибольшее влияние на образование отложений оказываютчастицы размером до 10 мкм.Анализ основных способов поддержания технического состояния ГГПА впроцессе его эксплуатации, к которым можно отнести ремонт, модернизацию итехническое облуживание, показал, что основным мероприятием по поддержаниюэффективности работы ГТУ на высоком уровне в межремонтный период являетсяочистка осевого компрессора.В настоящее время существует два метода очистки проточной части ОКавиационных и судовых газотурбинных двигателей моющим раствором – промывкана работающем агрегате или «на режиме» и промывка на остановленном агрегате илина холодной прокрутке «на ХП».8Анализ существующих методик оценки загрязнения проточной части ОК ГТУпоказал, что при их использовании не удается получить информацию о критическомуровне загрязнения, при котором необходимо выполнение промывки, и уровеньвосстановления параметров работы осевого компрессора в результате очистки.

Кромеэтого, данные методики трудно применимы для расчета снижения расходатопливного газа и экономического эффекта, получаемых в результате очисткипроточной части ОК ГТУ.Решение задачи повышения эффективности работы осевого компрессора ГТУгазотурбинного газоперекачивающего агрегата авиационного типа было бы неполным без рассмотрения особенностей работы комплексного воздухоочистительногоустройства(КВОУ),предназначенногодляочисткицикловоговоздуха,поступающего в ОК ГТУ.

Рассмотрены требования, предъявляемые к КВОУ,особенно фильтр-элементам и вспомогательным системам. На примере системыантиобледенения, показано, что, несмотря на её важность для надежной иэффективной работы ГТУ и ГГПА в целом, до настоящего момента не предложеноварианта, обеспечивающего защиту элементов воздухоочистительного устройства ивходного направляющего аппарата ОК от образования наледи, и при этом неоказывающего существенного влияния на располагаемую мощность ГТУ.Проводится обоснованный выбор объекта исследования, в качестве котороговыбран ГГПА авиационного типа ГПА-Ц-16, оснащенный газотурбинным двигателемавиационного типа НК-16СТ. Проточная часть двигателя состоит из входногонаправляющего аппарата (ВНА), выравнивающего поток циклового воздуха инаправляющего его под нужным углом на лопатки двухконтурного осевогокомпрессора, состоящего из четырехступенчатого компрессора низкого давления(КНД) и шестиступенчатого компрессора высокого давления (КВД), кольцевойвстроенной камеры сгорания и трехступенчатого турбинного блока.

Турбинывысокого и низкого давления (ТВД и ТНД) приводят в движение соответственно КВДи КНД, а свободная или силовая турбина предназначена для привода рабочих колеснагнетателя.Данный тип ГГПА является самым распространенным на компрессорныхстанциях агрегатом авиационного типа. Суммарная установленная мощностьагрегатов данного типа среди всех авиационных ГГПА превышает 50 %. Решения и9выводы, полученные в диссертационной работе, применимы ко всем газотурбиннымгазоперекачивающим агрегатам авиационного типа, в том числе к перспективномуГПА-16У.Взаключениеглавыопределяетсяцельдиссертационнойработыиформулируются основные задачи проводимого исследования.Во второй главе комплексно рассмотрен процесс загрязнения проточной частиосевого компрессора ГТУ и способы снижения негативных последствий этогопроцесса.Из-за невозможности прямой качественной оценки загрязнений по причинетруднодоступности элементов двигателя, единственной возможностью оценитьтехническое состояния проточной части ОК является анализ косвенных параметров,характеризующих работу ГГПА.

К таким параметрам относятся: относительнаячастота вращения роторов ОК, относительная степень повышения давления воздуха восевомкомпрессоре,коэффициенттехническогосостояния(КТС)ГТУпоэффективной мощности, относительная температура рабочего тела перед силовойтурбиной и КТС ГТУ по расходу топливного газа.Характер изменения параметров работы газотурбинного двигателя НК-16СТ,которым оснащен агрегат ГПА-Ц-16, и ГТУ в целом, полученные в результатеежедневного анализа работы двигателя начиная с момента его установки послекапитального ремонта в заводских условиях в течение 1400 часов показывает, что этиизменения достаточно точно могут быть представлены в виде линейной зависимостиK i (=t ) K i ( t0 ) + ki ⋅ t ,гдеKi ( t0 )–значениеконтролируемогопараметра(1)вначаленаблюдения;ki – коэффициент наклона зависимости контролируемого параметра от времени,час –1 ; t – время от последней промывки, час.После обработки и обобщения эксплуатационных данных для каждого изконтролируемых параметров работы ГТУ с помощью метода наименьших квадратовбыли получены следующие расчетные соотношения:10K=KТНД ( t0 ) + k=1,06 + 1,4 ⋅ 10 −5 ⋅ t ;ТНД ( t )ТНД ⋅ t(2 а)KТВД ( t=) KТВД ( t0 ) + kТВД ⋅=t 1,03 + 0,8 ⋅ 10 −5 ⋅ t ;(2 б)K π ( t=⋅ t 0,99 − 4,1 ⋅ 10 −5 ⋅ t ;) K π ( t0 ) + kπ =(2 в)KТ ВГ ( =t ) KТ ВГ ( t0 ) + kТ ВГ =⋅ t 1,06 + 1,6 ⋅ 10 −5 ⋅ t ;(2 г)⋅ t 0,96 − 4,7 ⋅ 10 −5 ⋅ t ;K N (=t ) K N ( t0 ) + k N =(2 д)K=KТГ ( t0 ) + k=1,03 +0,8 ⋅ 10 −5 ⋅ t ,ТГ ( t )ТГ ⋅ t(2 е)где нижние индексы соответствуют относительным значениям контролируемыхпараметров: ТНД – скорость вращения ротора осевого компрессора низкого давления;ТВД – скорость вращения ротора осевого компрессора высокого давления; π – степеньповышения давления воздуха в осевом компрессоре; ТВГ – температура выхлопныхгазов; N – коэффициент технического состояния ГТУ по эффективной мощности;ТГ – коэффициент технического состояния ГТУ по расходу топливного газа.Анализ полученных зависимостей (2 а) – (2 е) показал, что наиболеечувствительными к загрязнению проточной части ОК ГТД являются такиехарактеристики, как относительная степень повышения давления воздуха в осевомкомпрессоремощностиπк и коэффициент технического состояния ГТУ по эффективнойК Ne .Результаты исследования показали, что ухудшение технического состояния ГТУпо причинам, не связанным с загрязнением проточной части осевого компрессора,также может быть представлено в виде линейной зависимости (рисунок 1)KТГ ( тс ГТУ ) ( t ) =KТГ ( t0 ) + kТГ ( тс ГТУ ) ⋅ t ,(3)где kТГ ( тс ГТУ=tg ( β ) – коэффициент наклона кривой зависимости изменения КТС)ГТУ по расходу топливного газа от времени по причинам, не связанным сзагрязнением проточной части ОК, час .–111– результаты обработки результатов теплотехнических испытаний ГПА до и послепромывок ОК ГТУ, а также между промывками на остановленном агрегате («наХП»);– аппроксимация результатов теплотехнических испытаний ГПА после промывок(1) и между промывками (2) ОК ГТУ «на ХП».Рисунок 1 – Зависимость значений коэффициента технического состояния ГТУ,оснащенной ГТД НК-16СТ, по расходу топливного газа КТГ от наработкиНа основании обнаруженных закономерностей изменения контролируемыхпараметров в результате загрязнения проточной части осевого компрессора в качествекритерия оценки эффективности промывки осевого компрессора газотурбинногодвигателя предлагается использовать относительное изменение контролируемогопараметра, произошедшее в результате промывки с учетом изменения техническогосостояния по причинам, не связанным с загрязнением проточной части осевогокомпрессора=К ЭП i(К i ( до пр ) − К i ( пос пр ))ГПАki − ki( тс ГТУ ) ⋅ τ МП⋅ 100, % ,(4)где K i ( до пр ) и K i ( пос пр ) – значения контролируемых параметров до и после промывкипроточной части ОК, полученные в результате обработки теплотехническихиспытаний ГПА;ki – коэффициент наклона зависимости контролируемого параметраот времени, час ; ki ( тс ГТУ ) – коэффициент наклона зависимости изменения i–го–1контролируемого параметра ГТУ от времени по причинам, не связанным с12ГПА–1загрязнением проточной части ОК, час ; τ МП – наработка ГПА от предыдущейпромывки, час.Очевидно, что чем выше значение критерия оценки эффективности промывкипроточной части ОК К ЭП , тем более эффективна проведена промывка.

Возможностьиспользования коэффициента эффективности промывок (4) была проверена напримере самой информативной выходной энерготехнологической характеристикигазотурбинных установок – КТС газотурбинной установки по расходу топливногогаза КТГ . Оценка эффективности промывок проточной части ОК на холоднойпрокрутке по расходу топливного газа для агрегатов ГПА-Ц-16, установленных водном компрессорном цехе, проводилась при различной наработке ГГПА междуГПАпромывками τ МП в результате обработки теплотехнических испытаний агрегатов дои после проведения промывок (таблица 1).Таблица 1 – Значения коэффициент эффективности промывок «на ХП» К ЭП агрегатаГПА-Ц-16 с газотурбинным двигателем НК-16СТ№123456789101112131415161718192021КТГ ( до пр )КТГ ( пос пр )1,0141,0631,0461,0321,0131,0341,0601,0271,0771,0141,0481,0501,0251,0521,0311,0071,0941,0181,0131,0191,0471,0121,0601,0421,0281,0081,0301,0571,0221,0711,0081,0441,0451,0211,0491,0251,0021,0881,0121,0071,0101,040τ МП , час.32945454770072773275080484385188691895110481103118912741463161820162198К ЭП , %100,9109,7110,377,6110,094,870,4101,3105,6102,876,678,974,648,979,366,081,766,059,767,352,813Значения критерия оценки эффективности промывок ОК газотурбинногодвигателя К ЭП в большинстве случаев при наработке между промывками до 850часов имеют высокие значения, в ряде случаев превышающие 100 %.

При этомсуществуют значения критерия К ЭП в интервале между промывками до 850 часовпорядка 70 – 80 %, что указывает на более низкое качество проведения этих очисток.Достаточно широкий диапазон изменения значений критерия оценки эффективностипромывок осевого компрессора газотурбинного двигателя К ЭП свидетельствует овысокой чувствительности предлагаемого критерия к качеству очистки ОК ГТД.При наработках двигателей между промывками свыше 850 часов наблюдаетсяснижение эффективности промывок, что может быть вызвано образованиемзагрязнений такого рода, которые не могут быть устранены при используемойтехнологии промывок ОК ГТД.

Однако и в этом временном интервале междупромывками следует отметить как более, так и менее качественные промывки(таблица 1).Кромеопределенияэффективностигазотурбинного двигателя коэффициентпромывокК ЭПосевогокомпрессораможет быть использован приопределении оптимального интервала между промывками проточной части ОК. Вкачестве критерия оптимизации периодичности промывок осевого компрессора ГТДпредлагается использовать значение экономического эффекта от их проведения.Экономический эффект от проведения промывок CЭФ определяется, как разностьстоимости сэкономленного топливного газа ∆СТГ за расчетный период времени иденежных затрат на проведение данных работ, которые состоят из стоимости моющихсредств СМС и затрат на дополнительный расход топливного и пускового газа впроцессе проведения промывок СЗАТСЭФ =∆СТГ − ( СМС + СЗАТ ) .(5)Снижение энергетических затрат в денежном выражении за счет экономиитопливного газа в результате промывок ОК ГТД равен произведению ценытопливного газацТГ на количество топливного газа ∆ВТГ , сэкономленного врезультате проведения n промывок за расчетный период времени T14n∆СТГ= цТГ ⋅ ∆BТГ= цТГ ⋅ ∑ ∆BТГ ( i ) .(6)i =1Следует отметить, что относительное снижение расхода топливного газа врезультате проведения i–ой промывки пропорционально площади параллелограмма,одна из сторон которого определяется как значение снижения коэффициентатехнического состояния ГТУ по расходу топливного газа в результате i–ой промывкиОК ГТД ∆K ГТ ( i ) , а другая – временем наработки агрегата после проведения i–ойτi до конца расчетного периода времени (Т − τi ) .