Показатели надежности газоперекачивающих агрегатов

Одной из важнейших эксплуатационных характеристик газоперека-чивающего агрегата является его надежность. Под понятием надеж­ ность агрегата понимается его свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных пока­зателей в заданных пределах, соответствующих режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

Как видно из приведенного определения, надежность агрегата явля­ется комплексным свойством, которое в зависимости от назначения и условий работы агрегата включает в себя такие понятия, как работос­пособность, неисправность, наработка на отказ, ремонтопригодность. Надежность агрегата в общем случае определяется надежностью его эле­ментов, систем, его обслуживающих, и характером их взаимодействия.

Под понятием работоспособность эксплуатации агрегата понима­ется способность агрегата выполнять заданные функции эксплуатации в пределах, допустимых нормативно-технической документацией и ин­струкциями по его эксплуатации.

Под понятием неисправность агрегата понимается состояние, при котором агрегат не соответствует хотя бы одному из требований, уста­новленных нормативно-технической документацией, даже в том случае, если эта неисправность и не приводит сразу к отказу в его работе.

Под понятием отказ понимается событие, заключающееся в полной или частичной потере работоспособности агрегата. Поэтому безотказ­ностью агрегата называется его свойство непрерывно сохранять рабо­тоспособность в течение заданного времени эксплуатации.

Отказы в работе агрегата на КС возникают по разным причинам: из-за недостатков в конструкции узла или агрегата, так называемые кон-

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 239

структивные отказы; из-за нарушения правил технологии изготовления или монтажа агрегата на станции, так называемые технологические отказы, и эксплуатационные отказы - из-за нарушения правил эксплуа­тации агрегатов на станции. Отсюда и возникает очень важное для экс­плуатации понятие как наработка на отказ, одно из основных понятий надежности агрегатов при их эксплуатации на газопроводах.

Кроме приведенных определений отказов в работе оборудования, можно различать еще отказы систематические, полные, частичные, вне­запные и постепенные.

К систематическим отказам можно отнести отказы элементов, уз­лов и обслуживающих вспомогательных систем ГПА, долговечность которых во много раз меньше, чем долговечность самого агрегата, на­пример, работа систем разного рода уплотнений, износ масляных и воз­душных фильтров и т.п., требующих периодического ремонта и замены; обычно эти дефекты устраняются на станции силами обслуживающего персонала.

Под понятием полного отказа понимается нарушение работоспособ­ного состояния агрегата в целом, требующее длительной его остановки, замены или сложного ремонта.

Под понятием частичного отказа понимается состояние, после воз­никновения которого агрегат может использоваться по назначению, но с меньшей эффективностью, например, при разгерметизации регенера­торов, утечке масла и т.п.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением од­ного или нескольких параметров, определяющих работу ГПА. Внезап­ный отказ практически мгновенно переводит агрегат из работоспособ­ного состояния в состояние отказа.

Постепенный отказ характеризуется монотонным изменением одно­го или нескольких заданных параметров ГПА, например, снижением мощности агрегата из-за износа узлов и деталей.

Под понятием долговечность понимается способность агрегата со­хранять свою работоспособность при установленной системе техничес­кого обслуживания и ремонта до наступления предельного состояния. Под предельным состоянием агрегата понимается состояние, когда его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена вследствие неуст­ранимого отклонения заданных параметров от установленных преде­лов или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или неустранимого нарушения требований техники безо­пасности, или необходимости проведения капитального ремонта.

Под понятием ремонтопригодность агрегата понимается его при­способленность к предупреждению и обнаружению причин возникнове-

240

глава 5

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 241

 

ния отказов, повреждений и устранения их последствий путем проведе­ния ремонтов и технического обслуживания.

Под понятием сохраняемость понимается свойство агрегатов сохра­нять исправное и работоспособное состояние в течение хранения и пос­ле транспортировки.

В настоящее время оценка показателей надежности ГП А на газопро­водах осуществляется системой показателей, основанных на определе­нии времени нахождения агрегата в том или ином эксплуатационном состоянии: суммарном времени нахождения агрегата в работе Т за от­четный период Т_к; времени нахождения агрегата в резерве Т; времени нахождения агрегата в плановом ремонте Т_пп; времени вынужденного простоя Г агрегата за отчетный период Г. Обычно за отчетный период принимается календарный год

^Гк⁼^⁺Г_ез+Г_пр+Г_в = 365 дней.

На основе сопоставления приведенных временных состояний агре­гата и определяются показатели его надежности:

1. Коэффициент технического использования агрегата, определяемый как отношение времени пребывания ГПА в работе ко времени пре­бывания агрегата в работоспособном состоянии, времени его вы­нужденных простоев и ремонтов за рассматриваемый период эксп­луатации

(5.1)

К

т +т +т

у   ппр ' -¹ в

4. Коэффициент, характеризующий среднюю наработку агрегата на число отказов (/•) в отчетном отрезке времени:

(5.4)

Т = -

¹ о

Т в — г

5. Коэффициент, характеризующий время восстановления работоспо­собности агрегата, определяемый как отношение общего времени вынужденного простоя ГПА к числу отказов за рассматриваемый отрезок времени:

(5.5)

Опыт эксплуатации газотурбинных агрегатов на газопроводах по­казывает: численные значения коэффициентов технического использо­вания для ГПА различных типов изменяются в диапазоне 0,75-0,95; ко­эффициент готовности в диапазоне 0,80-0,96; коэффициент оператив­ной готовности - в диапазоне 0,84-0,88.

Наработка газотурбинных ГПА на один отказ в целом по парку аг­регатов находится в среднем за последние пять лет эксплуатации на уровне 2600-2900 ч. По типам агрегатов этот показатель, как один из основных показателей надежности ГПА в условиях эксплуатации, рас­пределяется примерно следующим образом (табл. 5.1).

Таблица 5.1 Наработка на отказ у ряда ГПА с газотурбинным приводом

2. Коэффициент готовности агрегата, определяемый как отношение вре­мени нахождения ГПА в работоспособном состоянии к сумме времени нахождения его в рабочем состоянии и времени вынужденного простоя

(5.2)

т +т

р   в

 

Тип ГПА	Количество ГПА, шт.	Наработка на отказ, ч
ГТ-750-6	100	4500
ГТ-6-750	140	9800
ГТН-6	80	11500
ГТК-10	790	7900
ГПУ-10	270	6200

3. Коэффициент оперативной готовности, определяемый как отноше­ние времени нахождения ГПА в работе или в резерве, к общему ка­лендарному отрезку времени

(5.3)

Опыт эксплуатации агрегатов на газопроводах показывает, что в настоящее время к агрегатам нового поколения, поступающим на га­зопроводы, могут быть предъявлены следующие требования (не ме­нее): коэффициент технического использования на уровне 0,93-0,95; коэффициент готовности на уровне 0,98-0,985; коэффициент наработ-

16. А. Н. Козаченко

 

242

глава 5

ки на отказ на уровне 3,5-4,5 тыс. ч; ресурс между средними ремонта­ми 10-13 тыс. ч; ресурс между капитальными ремонтами 20 -25 тыс. ч; полный ресурс до списания ГПА 100 тыс. ч.

5.2. Техническая диагностика газоперекачивающих агрегатов

Диагностика происходит от греческого слова diagnostikos - способ­ность распознавать. В соответствии с ГОСТ 20911-75 техническая ди­агностика призвана разрабатывать методы и приборы для определения, технического состояния объектов диагностирования (агрегатов) по па­раметрам, характеризующим протекание процессов в этом агрегате.

В зависимости от постановки задачи можно различать следующие виды диагностики: функциональную, связанную с определением изме­нения основных энергетических показателей агрегата (например, его мощности и КПД); структурную, оценивающую характер и степень по­вреждений деталей механизма; визуальную, оценивающую причины разрушения деталей при их осмотре, и прогнозную, предсказывающую характер протекания износа деталей и время выхода их из строя.

В настоящее время в эксплуатационных условиях в той или иной мере применяют следующие виды диагностики: параметрическую, виб­рационную, по анализу отработанного масла, оптические и акустичес­кие методы для обследования узлов и деталей ГТУ и др.

В условиях оценки состояния и работы ГТУ на газопроводах важное значение имеют практически все виды диагностики, прежде всего пото­му, что агрегаты на КС непрерывно работают в течение многих сотен и тысяч часов без остановки. Именно в этих условиях, не имея возможно­сти в ряде случаев по технологическим причинам остановить агрегат, особенно важно оценить его текущее состояние и предсказать ход изме­нения его основных характеристик (мощность, КПД) на перспективу.

В условиях КС в настоящее время заложена постоянно действующая система замера параметров работающих агрегатов по ГТУ и нагнетате­лю. На станциях периодически измеряют параметры рабочего тела Р, Т по тракту ГТУ, параметры газа Р, Тпо тракту нагнетателя, параметры окружающей среды. Однако на КС еще не организована до конца на­дежная система комплексной оценки состояния агрегатов, например, по мощности или по расходу топливного газа и т.п., прежде всего из-за сложности достоверного определения расхода рабочего тела по ГТУ или транспортируемого газа по нагнетателю.

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 243

Следует отметить, что состояние агрегатов можно и целесообразно оценивать не только значениями измеряемых параметров, такими как Р и Г, но и такими характеристиками, как шум, вибрация, утечки рабоче­го тела по тракту агрегата и т.д.

Шум работающего агрегата представляет собой хороший источник диагностической информации, характеризующий сложный спектр шу­мов аэродинамического и механического происхождения, изменяющий­ся в зависимости от изменения состояния двигателя, Как известно, ос­новными источниками шума в работающем двигателе являются комп­рессор, процесс горения топлива в камере сгорания, газовая турбина, вращающиеся детали вспомогательных механизмов ГТУ, обслуживаю­щих агрегат. Если в этих условиях определять составляющие спектра шума от агрегата и отслеживать его изменения во времени, то диагнос­тирование ГПА по спектру шума может быть весьма эффективным в условиях эксплуатации для оценки состояния агрегата.

При работе газотурбинного агрегата все его узлы и детали соверша­ют вынужденные и резонансные колебания механического и аэродина­мического происхождения, что вызывает так называемую вибрацию двигателя. К источникам колебаний механического происхождения мож­но отнести разного рода соударения и взаимодействие различных дета­лей двигателя. К источникам колебаний аэродинамического происхож­дения можно отнести пульсацию потока газов по газовоздушному трак­ту ГТУ, турбулентность процесса горения топлива в камере сгорания и т.п.

В зависимости от конструктивного исполнения ГТУ, ее сборки и монтажа, условий эксплуатации, вибрация элементов установки может быть самой различной. В некоторых случаях вибрация может стать та­кой значительной, что заставит пойти на вынужденную остановку агре­гата. В противном случае повышенная вибрация может привести к быс­трому износу и разрушению узлов двигателя, прежде всего тех, которые в наибольшей степени подвержены вибрации (лопатки, подшипники, узлы крепления корпуса двигателя и т.п.)

Все это вместе взятое приводит к необходимости измерять на КС вибрацию каждой ГТУ, чтобы на базе большого числа замеров устано­вить спектры характерных неисправностей двигателей и разработать критерии эффективной эксплуатации ГТУ на КС.

Кроме указанных методов, в условиях эксплуатации проводится диагностика температурного состояния деталей агрегата, прежде всего лопаток турбины, визуально-оптическая диагностика, позволяющая выявлять разрывы материала, трещины, неплотности, деформации, на­рушение покрытий и изоляции камер сгорания, газовой турбины и т.п.

С помощью того или иного метода диагностики ГПА можно и весьма целесообразно прогнозировать изменение технического состояния агре-

244

глава 5

гата с целью предупреждения вынужденных остановок ГПА, повыше­ния эффективности их эксплуатации, определения видов и сроков про­ведения ремонтов.

Техническое состояние газоперекачивающего агрегата существен-ным образом сказывается на всей технологии транспорта газов по газо­проводу. Можно всегда утверждать, что, если при данном расходе топ­ливного газа по агрегату снизилась производительность нагнетателя, то при прочих равных условиях это могло произойти из-за ухудшения состояния ГТУ, нагнетателя или того и другого вместе.

Одним из основных направлений технической диагностики ГПА явля­ется метод параметрической диагностики, как наиболее перспективный и имеющий значительный опыт использования в авиационной и других от­раслях промышленности. Основой метода параметрической диагностики является определение изменения параметров технического состояния аг­регата или его отдельных элементов по изменению его технологических и топливоэнергетических показателей - мощности, производительности, КПД привода и нагнетателя в процессе эксплуатации.

Об изменении технического состояния агрегата или его отдельных эле­ментов судят по изменению характеристик их рабочих режимов. Само из­менение обычно оценивается сравнением характеристик, построенных для данного момента, и времени, принятого за исходное. В качестве исходно­го может быть принято время проведения стендовых, сдаточных или дру­гих видов испытаний агрегата. Неизменность характеристик агрегата будет говорить о его нормальном состоянии; «расслоение» характеристик будет свидетельствовать об изменениях, происходящих в ГПА.

В качестве количественных оценок смещения характеристик ГПА, ГТУ или нагнетателя иногда принимаются коэффициенты технического состояния по КПД К „или по мощности K_N:

(5.6)

где ц, N - соответственно, КПД и мощность агрегата (нагнетателя) в данный момент времени; т|₀ и N ₀ - соответственно, КПД и мощность в исходном состоянии агрегата (нагнетателя) в начале их эксплуатации на КС или после проведения очередного ремонта. В условиях эксплуа­тации могут использоваться и другие показатели, определяющие изме-' нения состояния ГПА и его элементов, в основе которых лежит принцип определения «расслоения» характеристик.

Технические сложности в непосредственном измерении мощности и, сле­довательно, КПД энергопривода и нагнетателя приводят к необходимости их определения косвенным путем, используя доступные и измеряемые пара-

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 245

метры, такие как: давление, температура, расход рабочего тела, связанные между собой известными соотношениями термодинамики. На рис.5.1 пока­зана примерная схема измерений при проведении теплотехнических испыта­ний ГПА с двухвальным газотурбинным приводом и регенератором.

Опыт использования метода параметрической диагностики для оценки технического состояния эксплуатируемых ГПА показал, что для ее эффек­тивного применения необходимо решить две принципиальные задачи:

• обеспечить необходимый объем и требуемую точность измерений параметров ГПА;

• разработать методическое и программное обеспечение для автома­тизированных расчетов по определению технического состояния ГПА с использованием ПЭВМ.

Большинство эксплуатируемых ГПА имеют объем штатных измеряе­мых параметров, используемых для контроля и управления агрегата, до­статочный для проведения его диагностических исследований. Однако общая точность применяемой штатной измерительной аппаратуры не удов­летворяет современным требованиям оценки технического состояния ГПА. На практике необходимо использовать лабораторные образцовые прибо­ры. Характеристики некоторых из них, представлены в табл. 5.2.

Следует заметить, что препарирование агрегата с использованием указанных измерительных приборов влечет за собой большой объем подготовительных работ, соизмеримый с объемом проведения непосред­ственно экспериментальных исследований.

Что касается методического и программного обеспечения, то в на­стоящее время эта задача практически решена для всех типов ГПА, на­ходящихся в эксплуатации. Использование метода параметрической ди­агностики для оценки технического состояния ГПА позволяет решить следующие задачи:

• оценить качество ремонта ГПА путем определения показателей его технического состояния до и непосредственно после вывода агрега­та из ремонта;

• обосновать сроки проведения очередного ремонта ГПА;

• оперативно определить узел ГПА (ГТУ или ЦБН), явившийся при­чиной ухудшения технологических и топливо-энергетических пока­зателей агрегата;

• определить фактические теплотехнические и газодинамические ха­рактеристики модернизированных ГПА (замена СПЧ нагнетателя, элементов проточной части ГТУ, установка - замена регенератора, совершенствование камеры сгорания и т.д.).

глава 5

246

S о, с >я I и о X о S р.

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 247

Таблица 5.2 Характеристики измерительных приборов для оценки состояния ГПА

Измеряемый параметр	Прибор, предел измерения	Класс точности (погрешность измерения)
Температура наружного воздуха, воздуха на выходе ОК, газа на входе и выходе нагнетателя, газа перед диафрагмой замерного узла технологического газа	Термометр лабораторный типа ТЛ-4, ГОСТ 21 5 -73	± 0,1 + 0,2 'С
Давление газа на входе нагнетателя, перед диафрагмой замерного узла	Манометр, образцовый 0.....60 кгс/см	кл. 0,4
Давление газа на выходе нагнетателя	Манометр, образцовый 0.....100 кгс/см	кл. 0,4
Давление воздуха за ОК	Манометр, образцовый 0.....16 кгс/ см	кл. 0,4
Давление газа навыходе нагнетателя	Манометр, образцовый 0..... 1 6 кгс/см	кл. 0,4
Частота вращения роторов ГТУ	Частотомер	кл. 0,4 ± Юс