РЕФЕРАТ
В данной дипломной работе были рассмотрены концепция и методы основ диагностики ГПА. Существует три основных метода диагностики:
- параметрическая диагностика,
- трибодиагностика,
- вибрационная диагностика.
В рамках данной работы наиболее подробно рассмотрена вибрационная диагностика, средства для измерения вибрации ГПА, методы определения состояния агрегата в целом, а также отдельных его узлов. На примере выявленной вибрации подшипника задней опоры нагнетателя представлено как на основе существующих результатов измерений можно попытаться выяснить причины неисправностей и их последствий.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ГПА- газоперекачивающий агрегат
ГПУ- газоперекачивающий агрегат
СКТД- система контроля и технической диагностики
КС-компрессорная станция
САУ-система автоматического управления
ПОН- передняя опора нагнетателя
ЗОН- задняя опора нагнетателя
ПК- персональный компьютер
СКЗ- средне квадратичное значение
АЧХ- амплитудно-частотная характеристика
ИДЦ- инженерно-диагностический центр
РДЦ- регионально- диагностический центр
ИТЦ- инженерно- технический центр
ПО- програмное обеспечение
ТНД- турбина низкого давления
ТВД- турбина высокого давления
КНД- компрессор низкого давления
КВД- компрессор высокого давления
СТ- силовая турбина
КПД- коэфицент полезного действия
ЗОД- задняя опора двигателя
ГГ- газогенератор
ССС- Compressor Control Comporation
ЦБН- центробежный нагнетатель
ГНУ- главный насос уплотнений
ПТУ- производственно техническое управление
ПО КНД- передняя опора КНД
ЗО КНД- задняя опора КНД
ОУП- опорноупорный подшипник
ЛПУ линейнопроизводственное управление
МГ- магистральный газопровод
СПЧ- сменная проточная часть
АСУ ТП- автоматизированная система управления технологическим персоналом
Введение
На сегодняшний день вопросы улучшения показателей надежности, экономичности, маневренности и ремонтопригодности турбоагрегатов являются актуальными. Не менее важными вопросами являются продление срока службы узлов и деталей и расширение допустимых режимов эксплуатации турбоагрегатов. В условиях длительной эксплуатации и широкого диапазона изменения режимов на первый план выходят задачи предотвращения аварий, связанных с отказом отдельных деталей и узлов турбины, обеспечения вибрационного состояния агрегата, позволяющего устойчивую и надежную эксплуатацию во всем диапазоне режимов, разработки методов и средств диагностики, позволяющих организовать обслуживание и ремонт оборудования по техническому состоянию.
Общая вибрационная надежность агрегата является важнейшей эксплуатационной характеристикой. Низкий и стабильный уровень вибрации, отсутствие резонансных и автоколебательных явлений во всем диапазоне режимов гарантируют не только долговечность агрегата, но и возможность своевременной диагностики и устранения возникающих дефектов. В последние годы в промышленно развитых странах вопросам технической диагностики и, в частности, вопросам вибрационной диагностики оборудования электростанций уделяется повышенное внимание. Это объясняется, с одной стороны, необходимостью контроля отработавших расчетный ресурс агрегатов и обоснованием сроков межремонтного периода, с другой стороны - стремлением к снижению ущерба от внеплановых простоев и внезапных аварий.
Проблемы, затронутые в данной работе, являются достаточно острыми и актуальными, и их дальнейшая проработка принесет немало пользы.
1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИАГНОСТИКИ. МЕСТО ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ В ОБЩЕЙ ПРОБЛЕМЕ ДИАГНОСТИКИ ТУРБОМАШИН.
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Техническая диагностика – отрасль научно-технических знаний, сущность которой составляют теория, методы и средства определения технического состояния объектов. Перед тем, как приступить непосредственно к обсуждению проблем создания систем технической диагностики турбоагрегатов, хотелось бы высказать некоторые общие соображения о назначении и задачах технической диагностики.
Основное назначение технической диагностики состоит в повышении надежности объектов на этапе их эксплуатации. Это иногда вызывает возражение, поскольку многие считают, что надежность есть свойство самого турбоагрегата. Однако вспомним, что коэффициент готовности и коэффициент технического использования – два основных комплексных показателей надежности – зависят от затрат времени на ремонт в связи с отказами, а последний еще и от затрат времени на планируемые ремонты. Поэтому, если методами технической диагностики удается выявить возникновение дефекта и прогнозировать его развитие, то это позволяет не только сократить количество отказов, но и устранять имеющиеся дефекты во время плановых обслуживаний и ремонтов, сократить объемы и сроки ремонтных работ за счет их правильного планирования и организации.
Конечно, техническая диагностика позволяет выявить и устранить, а часто предотвратить, производственный брак, возникающий на этапах изготовления и монтажа или процессе ремонта агрегатов. Однако дефекты такого рода проще контролировать прямыми методами в процессе производства этих работ и не допускать их, а не констатировать их постфактум.
Все вышесказанное позволяет сформулировать следующие основные цели технической диагностики, определяющие экономическую эффективность диагностики:
1) обнаружение повреждений или дефектов на начальной стадии их развития;
2) оценка допустимости и целесообразности дальнейшей эксплуатации оборудования с учетом прогнозирования его технического состояния при выявленных дефектах; оптимизация режимов эксплуатации, позволяющая безопасно эксплуатировать агрегат с выявленными дефектами до момента его вывода в плановый ремонт;
3) организация обслуживания и ремонта оборудования по техническому состоянию (вместо регламентного обслуживания и ремонта), обеспечение подготовки и выполнения качественных ремонтов.
Следует особо подчеркнуть, что задачи диагностики обращены не на предотвращение гипотетической аварии, даже аварии с тяжелыми последствиями, а на организацию эксплуатации и ремонта таким образом, чтобы не допустить развития дефектов до опасных пределов, в том числе и дефектов, могущих привести к отказам и авариям с тяжелыми последствиями.
При такой постановке проблемы диагностики становится абсолютно ясным, что наибольший эффект от внедрения диагностики будет достигаться только на ремонтопригодных агрегатах, причем таких, ремонт которых возможен, в том числе, и непосредственно в условиях эксплуатации. Именно за счет сокращения затрат на ремонт, составляющие которых определяются увеличением продолжительности межремонтных периодов, сокращением объемов ремонтов, загруженностью ремонтного персонала и номенклатурой заранее приобретаемого и хранимого количества запасных частей определяется экономический эффект от внедрения диагностики.
Целесообразность диагностики в полном понимании этого процесса неремонтопригодных агрегатов, а к ним следует отнести и авиационные двигатели, крайне сомнительна, поскольку затраты на замену и ремонт двигателя являются величиной постоянной. В этом плане целесообразным, на наш взгляд, являются только прогнозирование сроков достижения агрегатом предельного состояния, до истечения которых необходимо планировать его полную или частичную (модульную) замену.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ
Все методы диагностики могут быть разделены на параметрическую диагностику, диагностику на остановленном агрегате и разборную диагностику.
При такой классификации применительно к ГПА в понятие параметрической диагностики включаются все методы диагностики по состоянию и изменению параметров работающего агрегата. Тогда параметрическая диагностика подразделяется на термогазодинамическую, виброакустическую и диагностику по изменению физико-химических параметров ГПА. Примером последней может являться трибологическая диагностика.
Преимущество параметрической диагностики состоит в том, что она позволяет давать оценку технического состояния ГПУ без его остановки и разборки. Именно поэтому все параметрические методы диагностики часто называют методами безразборной диагностики.
Надо иметь ввиду, что часто под параметрической диагностикой понимают только диагностику по термогазодинамическим параметрам, выделяя другие виды неразборной диагностики в отдельные методы – вибродиагностику, трибологию и т. д. В принципе это вопрос только терминологии, не меняющий сути проблем диагностики. Поскольку в УГТУ-УПИ принята именно такая терминология, при дальнейшем изложении воспользуемся ей.
1.3. ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА
Анализ вибраций - мощный инструмент для оценки технического состояния агрегатов, прогнозирования их надежности, подготовки и проведения профилактического ремонта. Возникновение и развитие значительной части дефектов роторных машин, как правило, вызывают изменения в вибрационном состоянии машин. Эти изменения, как и развитие большинства дефектов, обычно происходят в течение достаточно длительного периода времени.
Общие причины вибрации роторных машин: неуравновешенность роторов и их несоосность в валопроводе, эксплуатационные расцентровки валопровода, дефекты в подшипниках, недопустимые люфты и зазоры, изношенность узлов и деталей. В большинстве случаев аэродинамические и гидравлические силы также оказывают влияние на вибрацию агрегатов.
Часто только параметры вибрации - вибросмещение, виброскорость, виброускорение, спектр частот колебаний, амплитуда и фаза колебаний оборотной частоты - позволяют определить причины повышенной вибрации и выявить дефектные узлы или детали. Но значительно чаще для полного понимания процессов, происходящих в таком сложном механизме как турбомашина, требуется одновременное знание и параметров вибрации, и режимных и тепломеханических параметров агрегата.
Все чаще штатные системы вибрационного контроля дополняются средствами накопления и представления результатов измерений (средствами мониторинга), позволяющими представлять изменение вибрационных величин в виде трендов как в динамическом режиме (в темпе обновления информации), так и в статическом режиме (ретроспективном представлении информации). В то же время расширенный мониторинг, предназначенный для целей диагностики, принципиально отличается тем, что должен обеспечивать не только получение зависимостей вибрационных параметров от времени, но и возможность сопоставления вибрационных характеристик агрегата в различные моменты времени, представления зависимостей вибрационных характеристик от режимных параметров и т.д.
К сожалению, системы вибрационного контроля, дополненные средствами мониторинга, представляются потребителям не как средства контроля, предназначенные для диагностики оборудования, а как системы вибрационного контроля и технической диагностики (СКТД). Казалось бы, незначительная разница в терминологии (средства или системы) очень принципиальна и является ключевой в проблеме создания СТД.
Создание систем диагностики или даже просто использование расширенного мониторинга для диагностики любых объектов, а тем более таких сложных, как современные турбоагрегаты, требует не только умения измерять и представлять результаты измерений. Решение этой задачи требует глубоких знаний конструкции объекта, его интегральных свойств и свойств отдельных узлов и деталей, характера рабочих процессов, опыта эксплуатации и наладки и т.д.
Глубина анализа при диагностировании в значительной степени зависит от временного периода, на базе которого выполняется диагностирование. Это требует длительного накопления и хранения используемой при диагностировании информации.
В развитии отечественных систем технической диагностики (СТД) турбоагрегатов, в основе которых лежали, главным образом, принципы вибрационной диагностики, можно выделить три этапа:
I этап – с начала 70-х до середины 80 годов. Концепция этого этапа состояла в создании систем диагностики на базе комплексов специальной измерительной аппаратуры, причем главным образом использовалась импортная аппаратура известных фирм. При этом впервые осуществлены попытки использования вычислительной техники для накопления и обработки информации.
II этап – с середины 80-х до середины 90-х. Концепция создания систем диагностики на базе персональных компьютеров с подключенными аппаратными средствами вибрационного контроля, чаще всего отечественными. Характерные черты: развитый мониторинг, создание баз данных и разработка графических средств отображения и обработки этих данных. Одновременно был получен первый опыт использования интеллектуальных технологий – экспертных систем диагностики.
III этап – период с середины 90-х годов по настоящее время. Бурное развитие компьютерных сетей, создание и внедрение инструментальных средств и прикладного обеспечение определили и современную концепцию – создания комплексных систем вибрационного контроля и диагностики на базе компьютерных технологий. Характерные черты: единая инструментальная и программная база для контроля, обработки и диагностки, сетевая структура систем.
1.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГОСТИКА
Диагностика по термогазодинамическим параметрам – одно из наиболее развитых направлений параметрической диагностики ГПА. Это связано прежде всего с тем, что в настоящее время нет датчиков, позволяющих непосредственно измерять техническое состояние элементов на работающем ГПА (эрозионные износы рабочих колес центробежного нагнетателя, радиальные зазоры турбин высокого и низкого давления, и т.д.) В связи с этим методы оценки технического состояния ГПА по значениям непосредственно измеряемых в процессе эксплуатации технологических параметров, т.е. косвенным путем, необходимо развивать и совершенствовать.
Методы термогазодинамической диагностики ГПА могут быть общими и частными. Применение частных методов, связанных с определением относительного изменения параметров технического состояния газотурбинных ГПА, позволяет выявить темп изменения состояния агрегата, его технологических и топливно-энергетических показателей – производительности, мощности, расхода топливного газа и т.д., определить с известным приближением среднестатистические значения параметров состояния парка ГПА. Применение общих методов позволяет перейти к определению абсолютных величин технологических показателей ГПА, необходимых для построения системы планово-предупредительных ремонтов, планирования и прогнозирования работы агрегатов и КС в целом. Без них невозможно построение комплексной автоматизированной системы диагностики газотурбинных ГПА.
В зависимости от структуры представления объекта методы термогазодинамической диагностики могут быть интегральными, расматривающими установку в целом, и дифференциальными, рассматривающими каждый элемент агрегата в отдельности. В этих методах могут применяться и различные способы задания способы задания исходной информации о режимах работы ГПА и его элементов в виде функциональных уравнений или характеристик, найденных опытным путем. Оценки технического состояния объекта в первом случае связаны с построением его математической модели. При этом наиболее широкое применение нашли наиболее простые, линейные модели.
1.5. ТРИБОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА
Трибология – наука, которая не менее важна, чем параметрическая и вибрационная диагностика в диагностике износа механизмов. Название науки произошло от греческого слова «трибос» - трение. Трибология соединяет в себе физику, химию, материаловедение и технические науки. Во многом именно эта междисциплинарная природа приводила к тому, что концепцией трибологии пренебрегали. Это приводило к замедлению развития машиностроения, огромным, неоправданным материальным затратам на трение, износ и их последствиям.
Первоначально работа в области трибологии была направлена на стимулирование и применение более совершенной смазки, стало абсолютно очевидно, что роль материаловедения и технологии материаловедения и технологии материалов с точки зрения снижения износа в машиностроении ничуть не меньше, чем роль конструирования. Это относится, в частности, и к износу при отсутствии смазки.
Возможность использования материалов со значительно улучшенными трибологическими характеристиками потребует переоценки многих механических систем и конструкций. Так, например, наличие смазочных материалов, работающих при температуре 600С. Для смазки жаропрочных конструкционных материалов требуются жидкие смазочные материалы, способные работать в условиях высоких температур. Трибология позволяет определить состояние износа трущихся частей ГПА по наличию химических примесей в масле. Например содержание металлических частиц.
2. СРЕДСТВА, МЕТОДЫ И ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКЕ
2.1. ШТАТНЫЕ СРЕДСТВА ВИБРАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ
Для контроля вибрационного состояния ГПА-Ц-16 применяются две стационарные системы – на двигателе ИВ-Д-ПФ и на нагнетателе КСА-15.
Аппаратура контроля вибрации ИВ-Д-ПФ предназначена для непрерывного контроля вибросостояния двигателя и выдачи в САУ ГПА сигнала, пропорционального измеренному значению виброскорости, индикации значений виброскорости опор двигателя и частоты вращения валов. Аппаратура ИВ-Д-ПФ выдает в САУ ГПА дискретные сигналы в случае достижения виброскорости любой из опор предупредительного, а также предельно допустимого значения. Аппаратура имеет систему встроенного контроля. Контроль аппаратуры может производится как на работающей, так и на неработающем двигателе.
Датчики вибрации установлены на кронштейнах передней опоры, задней опоре газогенератора и на опоре силовой турбины. Электронные блоки, служащие для индикации измеряемых параметров и формирования выходных сигналов САУ, могут располагаться на блоке агрегатов и в пультовой.
Аппаратура ИВ-Д-ПФ работает совместно с датчиками МВ-04-01 преобразующими механические колебания в электрические заряды, которые передаются на вход измерительного усилителя, где преобразуются в напряжение, интегрируются, усиливаются, фильтруются и передаются на вход блока формирования сигналов управления, контроля и сигнализации.
При уровне вибрации 40 мм/с 4 мм/с формируется сигнал «Повышенной вибрация», который показывается на световом табло. При уровне вибрации 60 мм/с 6 мм/с формируется сигнал аварийного останова и включается табло «Опасная вибрация».
Контрольно-сигнальная аппаратура КСА-15 предназначена для измерения и сигнализации о превышении заданных значений уровней вибросмещения и осевого сдвига роторов из хромельникелевых ферромагнитных сталей диаметром свыше 50 мм с чистотой обработки поверхности не хуже 1,25.
Комплект оборудования состоит из пяти преобразователей и вторичной аппаратуры. КСА-15-125-1,0 – измеряет вибросмещения в диапазоне от 10 мм до 125 мкм и осевого сдвига в диапазоне от –1,0 мм до +1,0 мм. Датчики КСА-15 устанавливаются на ПОН «левый», «правый» и на ЗОН «горизонталь», «вертикаль», «осевой сдвиг». Выставляется зазор между торцом датчика и валом до 1,35 0,05 мм, который должен соответствовать выходному значению частоты на генераторе 7 кГц. По осевому сдвигу зазор между датчиком и валом тот же, но выходное значение на генераторе 7 В, что соответствует нулевому значению осевого сдвига.
2.2. ПЕРЕНОСНАЯ ВИБРОКОНТРОЛЬНАЯ АППАРАТУРА
Для контроля вибрационного состояния ГПА-Ц-16 в Надымском регионе в настоящее время используется аппаратура фирмы «Оргтехдиагностика».
2.2.1. Виброколлектор СК-1100.
Виброколлектор СК-1100 является быстродействующей портативной системой сбора и хранения информации о вибросостоянии машин и оборудования с возможностью дальнейшего анализа на ПК (см. рис.2.1).
Виброколлектор предназначен для измерения среднего квадратического значения (СКЗ) виброскорости с возможностью запоминания временной реализации измеряемого сигнала в память на следующих промышленных агрегатах:
- силовое оборудование газо- и нефтеперерабатывающих станций;
- энергетические установки тепловых электростанций;
- коммутационные трубопроводы атомных электростанций;
- вентиляторов, насосов, компрессоров, котлов, трубопроводов и других агрегатов.
Виброколлектор осуществляет:
- измерение СКЗ виброскорости с индикацией измеренных значений. Так как вибрация турбоагрегата носит чаще всего полигармонический характер, в этом случае действительно более характерной величиной для нормирования является среднее квадратичное значение эффективной виброемкости, учитывающей вклад в вибрацию всех гармоник вибрации;
- загрузку маршрутов из базы данных, установленной на ПК;
- хранение данных измерений;
- передачу заполненных временных реализаций в базу данных для последующей обработки и отторжения с помощью специального программного обеспечения;
- рабочий диапазон частот при измерении СКЗ виброскорости от 10 до 1000 Гц.;
- рабочий диапазон частот при сборе реализации виброскорости от 10 до 5000 Гц.;
- диапазон измерения СКЗ виброскорости от 1,0 до 99 мм/с;
- предел допустимой погрешности – 5%.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)
(см. рис.2.2).
- в полосе частот от 10 до 20 Гц – не более 1,0 дБ;
- в полосе частот от 20 до 1000 Гц – не более 0,6 дБ;
- в полосе частот от 1000 до 5000 Гц – не более 1,0 дБ.
Дополнительная допустимая погрешность в зависимости от температуры и влажности окружающей среды 1%.
См. Структурная схема виброколлектора СК-1100
Промышленная эксплуатация вибросборщиков СК-1100 полностью подтвердила правильность и перспективность концепции таких приборов (малый вес, 4 кнопки управления, запись временных реализаций, небольшая стоимость). Однако в процессе интенсивной эксплуатации в тяжелых условиях КС (высокие температуры корпусов ГТУ, продувы продуктов сгорания) выявились недостаточно надежные узлы (в частности кабели пьезоакселирометров).
2.2.2. Программное обеспечение «ВИБРОНИК»
Программа входит в базовую комплектацию вибросборщика СК-1100 и предназначена для проведения виброспектрального мониторинга роторных машин и технологического оборудования непосредственно эксплуатационным персоналом средней квалификации. С учетом этих требований в программе жестко заданы оптимальные конфигурации спектров (число спектральных линий, временное окно, единицы виброизменения, частотный диапазон), максимальное число точек измерения, формы выходных отчетов. Однако, предоставляемые пользователю возможности (в частности инструмент создания полосовых уставок) вполне достаточны для проведения подробного спектрального мониторинга оборудования с использованием как стандартных спектров, так и спектров огибающей сигнала.
Программа «Виброник» может использоваться совместно с экспертной программой «Вибромастер», входящей в качестве опции в состав расширенного комплекта вибросборщика СК-1100. В этом случае выдаются автоматические диагнозы дефектов и ремонтных воздействий с помощью набора алгоритмов, поставляемых разработчиком программы, либо создаваемых непосредственно квалифицированным пользователем.
Вибросборщик СК-1100 и программа «Виброник» разработаны для использования на компрессорных станциях ОАО «Газпром». Однако этот комплекс может с успехом применяться в других отраслях промышленности для контроля машин, механизмов и технологических аппаратов. Эта программа предназначена для организации периодического диагностического обслуживания непосредственно эксплуатационным персоналом.
Программа обеспечивает:
- ввод в виброколлектор «маршрутов» виброизмерений (до 8 агрегатов до 16 точек измерения на агрегатах);
- ведение базы данных (7 цехов, 8 агрегатов на цех);
- работу со спектрами (0- 5000 Гц, 3200 линий) и спектрами огибающими;
- ввод полосовых уставок и генерацию отчетов о превышении уставок;
- ввод графических материалов (например, схем агрегатов с указанием точек измерений);
- подготовку результатов измерений для передачи по каналам связи с региональными диагностическими центрами;
- поддержку интерфейса Windows 95/98.
Штатная система периодического вибромониторинга основного оборудования КС с использованием малогабаритных вибросборщиков СК 1100 и ПО «Виброник» обеспечивает выполнение всего комплекса задач периодического вибромониторинга медленно протекающих (износных) отказов в узлах ГПА.
Использование системы СК-1100 и ПО «Виброник» позволяет проводить сеансы 1 раз в месяц, а агрегатов с выявленными дефектами – 1 раз в неделю и чаще, что создает реальные предпосылки для создания системы технического обслуживания ГПА «по состоянию».
Простота эксплуатации системы (как аппаратной, так и программной части) позволяет работать с ней на уровне КС.
Использование системы электронной связи СС-Mail передать задачи анализа и постановки диагнозов на уровень диагностического центра, что резко позволяет повысить производительность труда квалифицированных инженеров-диагностов. Внедрение такой системы повышает производительность труда не менее, чем в 4 раза и дает значительную экономию финансовых средств (командировочные расходы).
Дальнейшее повышение качества и сокращение трудозатрат при разработке диагностических заключений может быть достигнуто за счет использования экспертных программ, в которых использован практический опыт инженеров-диагностов.
На агрегатах с наличием быстроразвивающихся дефектов системы периодического вибромониторинга не обеспечивают необходимую надежность предупреждения аварий. В этих случаях целесообразно устанавливать системы непрерывного мониторинга в режиме реального времени.
2.3. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО МОНИТОРИНГУ И ДИАГНОСТИКЕ ОБОРУДОВАНИЯ В ТТГ
2.3.1. Общие вопросы организации работ
Виброисследование ГПА производится с помощью программы «Виброник» (прибором СК-1100), и затем по сети передается в региональный центр, где автоматически попадает в базу данных ИДЦ.
Программный комплекс ИДЦ – «Виброник» реализует стратегию оперативных периодических обследований всего парка ГПА силами эксплуатационного персонала компрессорных станций с передачей результатов виброобследований (спектров) в РДЦ по каналу корпоративной связи СС- mail для анализа и выдачи диагностических заключений. Движение информации при эксплуатации системы периодического вибромониторинга на основе аппаратно-программного комплекса СК-1100 «Виброник» (см. рис.2.3).
2.3.2. Уровень КС
• Проведение периодических плановых виброобследований ГПА по стандартным маршрутам, составленным специалистами диагностического центра для каждого типа ГПА.
• Загрузка результатов в базу данных вибромониторинговой программы «Виброник», установленной на персональном компьютере инженера – диагноста КС.
• Определение агрегатов, находящихся в техническом состоянии «Требует принятие мер» или «Дальнейшая эксплуатация недопустима» (выполняется программным обеспечением «Виброник»).
• Формирование файла данных по дефектным агрегатам (выполняется ПО «Виброник» и их передача по каналу связи (например, СС- mail) в базу данных копии программы «Виброник» установленной на компьютере диагностического центра.
Следует отметить, что на уровне КС не требуется проведения анализа виброинформации и наличия специалистов- вибродиагностов высокой квалификации.
2.3.3. Уровень диагностического центра
• Проведение анализа данных (вибрационных спектров) и сопутствующей информации по агрегатам ГПА.
• Разработка диагностических заключений и рекомендаций по ремонтному обслуживанию дефектных агрегатов и передача (по любому каналу связи) этих заключений руководству КС.
На данном этапе работы проведение анализа выполнялось квалифицированными специалистами службы технического контроля.
Следующим этапом предусматривается автоматизация большей части рутинной работы по анализу спектров путем подключения к базе данных ПО «Виброник» экспертной программы.
При эксплуатации системы периодического вибромониторинга в ООО «Тюментрансгаз» использовалось ПО «Виброник», созданное специалистами ИТЦ «Оргтехдиагностика» и доработанное по техническому заданию ООО «Тюментрансгаз».
Эксплуатация данной версии программы показала ее пригодность для промышленного использования в условиях КС в части надежности, достаточности функций, простоты и наглядности работы, умеренных требований к ресурсам ПК. В ПО «Виброник» были внесены следующие изменения:
- ввод норм среднеквадратичного значения (СКЗ) вибросигнала и формирования общей оценки технического состояния ГПА;
- ввод режимных параметров (с клавиатуры);
- определение спектральной полосы с наибольшим %-ным превышением спектральных параметров по каждой точке измерения;
- ввод схем (рисунков ГПА) с маршрутами измерений непосредственно в состав отчетов (протокол приложен)
(см.рис.2.4).
- создание копий ПО «Виброник» с настройками на конфигурацию каждой КС (число цехов, типы ГПА, маршруты измерений) с закрытием созданной копии паролем, что значительно ускоряет работу с вибросборщиком и сводит к минимуму возможность ошибок;
- возможность выбора загружаемых в вибросбощик номера агрегатов без переконфигурирования маршрута;
- наличие программы конфигурирования копий ПО «Виброник», доступной только квалифицированному пользователю.
В качестве следующего шага по автоматизации процесса выдачи диагностических заключений ИТЦ «Оргтехдиагностика» разработал экспертную программу «ВибДес», позволяющую производить анализ спектров и выдачу диагностических заключений в автоматическом режиме по правилам, введенным в программу экспертами-вибродиагностами. Использование ПО «ВибДес» позволяет разгрузить экспертов от рутинной работы по первичному анализу спектров и значительно повысить производительность труда. При отсутствии в диагностическом центре специалистов-диагностов по определенному типу ГПА ПО «ВибДес» может использоваться для выдачи конечных диагнозов, следует отметить, что любое заключение подтверждается подписью инженера-диагноста.
3. ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ ГПА-Ц-16
3.1. ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НК-16СТ
Стационарный газотурбинный двигатель НК-16СТ создан на базе авиационного турбовентиляторного двигателя НК-8-2У. При конвертировании в НК-16СТ вентиляторный контур заглушен. Представляет собой двухкаскадную трехвальную ГТУ.
Состоит из двух модулей - газогенератора и свободной турбины, имеющих собственные рамы. Модули при эксплуатации могут заменяться.
Принцип работы двигателя состоит в следующем. Атмосферный воздух через воздухоочистительное устройство поступает в компрессор, где он сжимается и направляется в камеру сгорания. В камере сгорания в потоке воздуха сжигается топливо - природный газ. Из камеры сгорания горячие газы направляются на лопатки турбин. В турбинах тепловая энергия продуктов сгорания превращается в механическую энергию вращения роторов. Мощность, полученная на валах турбин низкого и высокого давления (ТНД и ТВД), расходуется на вращение компрессоров низкого и высокого давления (КНД и КВД) и вспомогательных приводов. Мощность, полученная на валу свободной турбины (СТ), расходуется на привод нагнетателя природного газа и его вспомогательных агрегатов. Отработанные продукты сгорания через выхлопное устройство выбрасываются в атмосферу.
Двигатель состоит из следующих основных узлов:
- передней опоры;
- осевого двухкаскадного компрессора (КНД и КВД);
- средней опоры с корпусом центрального привода вспомогательных агрегатов;
- камеры сгорания;
- осевой двухступенчатой турбины (ТВД и ТНД);
- задней опоры;
- осевой одноступенчатой свободной турбины (СТ);
- опоры свободной турбины;
- подмоторной рамы газогенератора;
- подмоторной рамы свободной турбины.
На двигателе установлены агрегаты вспомогательных систем: масля-
ной, топливорегулирующей, контроля работы и защиты.
ПЕРЕДНЯЯ ОПОРА двигателя является силовым узлом, воспринимающим радиальные усилия от ротора КНД. Она вмонтирована во входной направляющий аппарат и крепится к переднему и заднему фланцам внутреннего кольца аппарата. В нижней части корпуса опоры установлен шестеренчатый откачивающий маслонасос. Подвод масла на смазку роликового подшипника передней опоры производится через трубопровод, смонтированный в лопатке входного направляющего аппарата КНД. Масляная полость опоры изолируется от воздушной резиновым кольцом и радиально-торцевым контактным уплотнением.
КОМПРЕССОР двигателя состоит из двух компрессоров: низкого (КНД) и высокого (КВД) давления, разделенных средней опорой.
Компрессор низкого давления четырехступенчатый. Ротор КНД двухопорный. Передний роликовый подшипник смонтирован в корпусе передней опоры. Задний шариковый подшипник установлен в средней опоре. Статор КНД включает в себя входной направляющий аппарат и четыре направляющих аппарата ступеней.
Компрессор высокого давления шестиступенчатый. Ротор КВД вращается в двух подшипниках. Передний шариковый подшипник смонтирован в средней опоре. Задний роликовый подшипник установлен в задней опоре. В статор КВД входят: регулируемый направляющий аппарат и пять направляющих аппаратов ступеней; клапан перепуска воздуха; ресивер отбора воздуха, подаваемого на обогрев входного направляющего аппарата КНД.
СРЕДНЯЯ ОПОРА двигателя является силовым элементом, воспринимающим осевую и радиальную нагрузку от роторов каскадов низкого и высокого давлений. Корпус опоры состоит из наружного кольца, усиленного посередине ребром жесткости, и внутренней конической оболочки, соединенных между собой двенадцатью ребрами. К переднему наружному фланцу крепится статор КНД. К заднему внутреннему фланцу крепится статор КВД. К нижнему фланцу крепится коробка привода вспомогательных агрегатов.
КАМЕРА СГОРАНИЯ кольцевого типа, в передней части которой располагаются по окружности в один ряд 32 газовые форсунки с завихрителями. Два воспламенителя факельного типа расположены сверху на корпусе камеры сгорания под углом 38 градусов от вертикальной оси.
ТУРБИНА ГАЗОГЕНЕРАТОРА приводит во вращение компрессор двигателя. Первая ступень турбины (ТВД) вращает КВД. А вторая ступень (ТНД) вращает КНД.
Ротор ТВД состоит из рабочего колеса и вала. Вал ТВД крепится спереди к проставке ротора компрессора. В стыке между валом и проставкой установлено лабиринтное уплотнение, замыкающее межлабиринтную полость, ограниченную с передней стороны лабиринтом, расположенным за последней ступенью КВД. Из этой полости отбирается воздух на охлаждение диска ТВД. Опорами ротора ТВД являются роликовый подшипник, расположенный на валу ТНД, и шариковый подшипник, расположенный в корпусе средней опоры.
Ротор ТНД состоит из рабочего колеса, лабиринтного диска и вала, соединенных между собой стяжными болтами. Ротор вращается на двух опорах. Передней опорой является шариковый подшипник вала КНД, второй опорой служит роликовый подшипник, расположенный в задней опоре. Вал ТНД наружными шлицами на переднем конце соединен с внутренними шлицами вала КНД.
Статор турбины состоит из сопловых аппаратов ТВД и ТНД. Сопловой аппарат ТВД охлаждается вторичным воздухом камеры сгорания.
ЗАДНЯЯ ОПОРА является силовым узлом, воспринимающим радиальные усилия от ротора ТНД. Опора состоит из двух разъемных сварных узлов: сопла и внутреннего корпуса, соединенных между собой шестью равнорасположенными вилками (каждая крепится тремя болтами). Газовый тракт образован наружным и внутренним кожухами сопла, соединенными между собой шестью пустотелыми ребрами.
СВОБОДНАЯ ТУРБИНА одноступенчатая. Состоит из ротора, соплового аппарата и узла опоры. Ротор свободной (силовой) турбины включает в себя рабочее колесо, вал и полумуфту, с которой состыкована муфта промвала.
Ротор СТ вращается на двух опорах: передняя - роликовый подшипник, задняя - роликовый и шариковый подшипники. Подшипники расположены в корпусных узлах опоры СТ.
Статор силовой турбины состоит из наружного и внутреннего корпусов, наружного кольца, козырька и сопловых лопаток. В передней части наружного и внутреннего корпусов установлены плавающие кольца, обеспечивающие стыковку СТ с газогенератором.
ОПОРА СТ состоит из корпусов опоры, передней и задней стенок, корпуса масляной полости. В силовую схему опоры входят наружные и внутренние корпуса опоры с приваренными фланцами, соединенные между собой силовыми стойками.
Силовая турбина крепится к подмоторной раме цапфами, расположенными в горизонтальной плоскости. В нижней точке опоры на переднем фланце имеется фиксатор, воспринимающий боковые силы и дающий возможность осевого перемещения СТ. В масляной полости опоры расположен привод коробки вспомогательных агрегатов СТ.
Техническая характеристика двигателя НК-16СТ
Номинальная мощность _________________________________ 16000 кВт
Частота вращения ротора:
высокого давления _________________________________ 6900 мин -1
низкого давления __________________________________ 5270 мин -1
свободной турбины ________________________________ 5300 мин -1
Степень повышения давления в компрессоре ______________ 9,7
Температура перед ТВД _________________________________ 810 0С
Температура перед СТ __________________________________ 630 0С
Эффективный КПД _____________________________________ 27,5 %
Вес___________________________________________________ 7,8 т
3.2. НАГНЕТАТЕЛЬ НЦ-16
Нагнетатель представляет собой двухступенчатую центробежную машину, предназначенную для сжатия природного газа. Состоит из следующих составных частей: корпус; торцевые крышки; ротор с насаженными рабочими колесами первой и второй ступеней, думмисом; лопаточные диффузоры; обратный направляющий аппарат; опорный и опорно-упорный подшипники; торцевые уплотнения.
КОРПУС нагнетателя - стальной, сварно-кованый. Выполнен в виде цилиндра с приваренными к нему всасывающим и нагнетательным
патрубками. На торцах патрубков выполнены фланцы для присоединения труб обвязки на компрессорной станции. Плотность соединения патрубков и труб обвязки достигается при помощи закладных резиновых шнуров, укладываемых в канавки на торце фланцев. К нижней части корпуса приварены опорные лапы, а к верхней части - кронштейны для установки гидроаккумуляторов масла.
В корпусе нагнетателя выполнены проточки под установку сегментов разрезных колец, фиксирующих торцевые крышки в осевом направлении. В нижней части корпуса просверлены технологические отверстия, закрываемые резьбовыми пробками, которые служат для слива воды при гидроиспытаниях нагнетателя и дренирования полости силового корпуса.
Между опорными лапами на корпусе, параллельно оси нагнетателя, выполнены шпоночные пазы для фиксации нагнетателя от поперечных смещений после его центровки с силовой турбиной приводного газотурбинного двигателя.
Корпус имеет два вертикальных разъема, закрываемых стальными коваными крышками. Осевое положение крышек и их фиксация обеспечиваются сегментными стопорными кольцами. В свою очередь от выпадения из проточек корпуса сегменты удерживаются кронштейнами и болтами, заворачиваемыми в корпус и сегмент. В теле крышки выполнены масляные и газовые каналы, выходящие на наружную поверхность крышки для подсоединения фланцев трубопроводов.
Плотность внутреннего соединения крышек и корпуса, а также плотность соединения внутреннего корпуса (статорных деталей) достигаются за счет резиновых уплотнительных шнуров.
К крышке крепится улитка, которая образует совместно с внутренней поверхностью крышки сборную камеру, соединенную с нагнетательным патрубком компрессора. С внутренней стороны к улитке крепится втулка, образующая с усиками на наружной поверхности думмиса лабиринтовое уплотнение.
ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ нагнетателя образована подвижными (роторными) и неподвижными (статорными) элементами, к которым относят внутренний корпус, объединяющий лопаточные диффузоры первой и второй ступеней; обратный направляющий аппарат, состоящий из наружной и внутренней частей; входной конфузор. В процессе сборки нагнетателя во внутренний корпус заводится нижняя половина обратного направляющего аппарата, имеющего кольцевой монтажный разъем. Такая конструкция позволяет вынимать ротор нагнетателя без извлечения статорных элементов. В нижней части внутреннего корпуса имеются ролики, на которых он вкатывается в силовой корпус.
Лопаточные диффузоры первой и второй ступеней имеют одинаковую конструкцию. Из тела основного диска выфрезеровываются лопатки диффузора. Покрывной диск приваривается к лопаткам. В теле лопаток, основном и покрывном дисках после сварки выполняют отверстия, через которые пропускаются болты. При помощи этих болтов диффузоры крепятся к внутреннему корпусу нагнетателя.
К всасывающей части внутреннего корпуса крепится входной конфузор сварной конструкции. Наружный и внутренний стаканы конфузора соединены между собой при помощи профильных ребер.
Средняя часть внутреннего корпуса литая. Образует верхнюю половину обратного направляющего аппарата и поворотное колено. Обратный направляющий аппарат имеет кольцевой разъем по лопаткам. Лопатки обратного направляющего аппарата залиты в тело диафрагмы. Нижняя половина обратного направляющего аппарата имеет аналогичную конструкцию.
РОТОР нагнетателя представляет собой ступенчатый вал с насаженными двумя рабочими колесами, думмисом, втулками уплотнений и упорным диском, закрепленным при помощи гайки.
Рабочие колеса первой и второй ступеней унифицированы между собой. Отличаются только шириной рабочего колеса на входе и выходе. Конструктивно рабочие колеса состоят из основного диска с выфрезерованными рабочими лопатками аэродинамического профиля и покрывающего диска. Лопатки основного диска рабочего колеса соединяются с покрывным диском вакуумной пайкой.
Разгрузочный поршень (думмис) предназначен для уменьшения (компенсации части) осевого усилия на опорно-упорный подшипник. На наружной поверхности думмиса выполнены усики лабиринтного уплотнения. Втулки уплотнения имеют износостойкое покрытие.
Ротор нагнетателя жесткий. После окончательной сборки подвергается многоплоскостной балансировке.
Ротор вращается в двух подшипниках скольжения. Передний – опорный, задний - опорно-упорный.
ПОДШИПНИКИ нагнетателя крепятся к торцевым крышкам через обойму масляных уплотнений и закрыты кожухами. К кожуху заднего подшипника крепится блок маслонасосов, который состоит из шестеренчатого насоса системы смазки и трехвинтового насоса системы уплотнения.
Вкладыш опорного подшипника сегментный. Имеет пять опорных самоустанавливающихся колодок. Включает в себя следующие детали: корпус из двух половин; опорные колодки; разъемные втулки.
Корпус подшипника стальной. Состоит из двух половин, стянутых призонными болтами.
Опорные колодки стальные. Рабочие поверхности залиты баббитом для уменьшения трения при пуске нагнетателя. Колодки от поворота фиксируются штифтами.
Подвод масла к вкладышу осуществляется через отверстия в нижней и верхней половинах корпуса.
Подшипник закрыт кожухом с горизонтальным разъемом, в котором собирается сливающееся масло. Снизу к кожуху крепится трубопровод для слива масла.
Опорно-упорный подшипник нагнетателя состоит из двух частей. Опорная часть вкладыша по конструкции, геометрическим параметрам аналогична вкладышу переднего опорного подшипника.
Упорный вкладыш реверсивный двухсторонний. Состоит из корпуса, двух пакетов упорных колодок, регулировочного кольца и крышки.
Пакет упорных колодок в сборе включает в себя сепаратор, в пазах которого установлены колодки упорные, пружину и кольцо. От поворота относительно кольца сепаратор фиксируется винтом. Кольца и регулировочное кольцо фиксируются от поворота в корпусе штифтами.
Корпус упорного подшипника крепится к корпусу опорного подшипника болтами и винтами.
Подвод масла к упорным пакетам осуществляется раздельно. Для этой цели в корпусе выполнен ряд отверстий.
Для уплотнения полости подшипника и создания необходимого избыточного давления масла в корпусе установлена стальная втулка с баббитовой заливкой (плавающее уплотнение).
УПЛОТНЕНИЕ ротора на концах обеспечивается концевыми уплотнениями. Уплотнения ротора нагнетателя включают в себя щелевое масляное уплотнение, затвор с плавающими кольцами и лабиринтовое уплотнение.
Щелевое масляное уплотнение состоит из внутреннего и наружно-го уплотнительных колец, изготовленных из стали с баббитовой заливкой рабочих поверхностей. Предотвращение поворота уплотнения обеспечивается штифтами.
Внутри наружного уплотнительного кольца закреплены пять колодок, также имеющих баббитовую заливку рабочей поверхности. Колодки обеспечивают всплытие наружного уплотнительного кольца во время работы нагнетателя.
Лабиринтовое уплотнение выполнено на алюминиевой втулке. Устанавливается в крышке нагнетателя и фиксируется штифтами.
Все посадочные поверхности уплотняются резиновыми шнурами, закладываемыми в проточки на крышке корпуса и втулке уплотнения.
Запирание торцевого уплотнения достигается подачей масла в полость между наружным и внутренним уплотнительными кольцами. Масло подается с давлением, большим давления газа на 0,20 - 0,25 МПа.
Равные условия работы торцевых уплотнений достигаются выравниванием давления газа перед уплотнением при помощи внешней трубы, соединяющей полость за думмисным уплотнением с всасывающим патрубком нагнетателя.
На верхней части корпуса нагнетателя установлены два гидроаккумулятора масла. Они предназначены для подачи масла на смазку подшипников и запирания уплотнений при аварийном останове газоперекачивающего агрегата. Избыточное (над давлением газа) давление масла обеспечивается разницей высотного положения уплотнений и аккумуляторов. Для обеспечения необходимого давления полость над уровнем масла соединена уравнительной линией с всасывающим патрубком.
Нагнетатель установлен на индивидуальную раму-маслобак. После установки и центровки с ротором силовой турбины приводящего газотурбинного двигателя его положение фиксируется продольными шпонками.
Техническая характеристика нагнетателя НЦ-16
Производительность:
коммерческая ___________________________ 33,3 млн м3/сут
объемная ___________________________ 385 м3/мин
Давление газа конечное______________________ 7,45 МПа
Степень повышения давления__________________1,44
Политропный КПД___________________________ 83 %
Повышение температуры газа__________________ 31 0С
Частота вращения:
номинальная_____________________________ 5300 мин -1
минимальная_____________________________ 3750 мин -1
максимальная____________________________ 5560 мин -1
4. ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ГПА-Ц-16 И ИХ ДИАГНОСТИКА
4.1. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБОБЩЕНИЯ ДАННЫХ ПО ПРИЧИНАМ ОТКАЗОВ
Обобщение отчетных данных по надежности и причинам отказов турбоагрегатов ГПА-Ц-16 показал:
Причины отказов делятся на случайные и систематические.
Случайные отказы и их причины – это непредусмотренные перегрузки, дефекты в материале и погрешности изготовления, не обнаруженные контролем ошибки обслуживающего персонала или сбои системы управления.
Примером случайных причин отказов могут служить следующие: некачественный монтаж турбоагрегата или некачественно выполненные регламентные работы, неисправность системы автоматики и т.д.
Приведем примеры причин таких отказов:
• Вибрация ЗОД – неправильная установка Д. После центровки лапы по середине Д были перетянуты, в результате этого уменьшен тепловой зазор в соединение ГГ и СТ. Количество таких отказов – 11. Основной признак – повышенная осевая составляющая вибрации в районе ГГ и СТ.
• Вибрация ПОН – из-за неправильного монтажа крышек передней и задней опоры, отсутствие необходимого натяга между крышками и вкладышами. Количество отказов – 6. Основной признак – повышенная оборотная вибрация опор нагнетателя при допустимых относительных вибрациях вала.
• Нарушение работы системы автоматики, например – выход из строя контроллеров ССС при грозе. Из-за отсутствия гальванической развязки, недостаточно инструментального заземления меньше 3 ом.
• Нарушение целостности датчиков или требований к их установке. Недопустимые температурные перепады в отсеке Н, которые приводят к неверным показаниям виброперемещения, т.к. генератор вихретоковых сигналов реагирует на эти перепады.
Систематические отказы и их причины.
Причинами таких отказов являются закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений, например, влияние среды, времени, температуры, нагрузок и т. д. Примерами такого влияния являются коррозия, эрозия, старение материала, усталость, ползучесть и др.
Наиболее распространенным отказом систематического характера является разрушение камеры сгорания. Среди других можно отметить разрушения уплотнений, неисправность масляной системы, неисправность подшипников, неустойчивая газодинамическая работа ЦБН, разрушение подшипников привода ГНУ, эксплуатационный дисбаланс роторов.
Основная задача СТД – выдавать предупреждение о возникновении дефекта до того, как данный дефект будет представлять собой реальную опасность для надежности диагностируемого оборудования. Отсюда же следует, что важнейшим элементом проектирования систем диагностики является база знаний о возможных дефектах, их диагностических признаках, скорости развития дефектов в зависимости от режимов работ.
4.2. ДЕФЕКТЫ ГПА-Ц-16.
Ниже приведена таблица основных дефектов ГПА-Ц-16, выявленных в Надымском регионе за 3 года.
Дефекты ГПА-Ц-16 Таблица 4.1
|
№ |
ВИД НЕИСПРАВНОСТИ |
Количество |
|
1 |
Вибрация передней опоры нагнетателя |
6 |
|
2 |
Вибрация задней опоры нагнетателя |
5 |
|
3 |
Вибрация задней опоры двигателя (ГГ) |
11 |
|
4 |
Вибрация СТ |
1 |
|
5 |
Вибрация подшипника средней опоры Д |
1 |
|
6 |
Вибрация подшипника СТ |
1 |
|
7 |
Неисправность ГНУ |
7 |
|
8 |
Неисправность ГНС |
3 |
|
9 |
Разрушение КС |
11 |
Диагностика дефектов ГПА-Ц-16 проводилась инженерами - диагностами на КС и Надымским центром ПТУ. В таблице 4.2 приведены результаты диагностирования с указанием возможных дефектов. Данные измерений и формулировки дефектов взяты из протоколов вибрационного обследования ГПА прибором СК-1100 (см. приложение 1). Точки измерений показаны и перечислены ниже (см. 4.5)
Описание точек измерения: 1 точка – ПО КНД – горизонталь; 2 точка – 3О КНД – горизонталь; 3 точка – ПО ТНД и ТВД; 4 точка – опора ТНД – горизонталь; 5 точка – 3О СТ – горизонталь; 6 точка – ПО КНД – ось; 7 точка – опора ТНД – ось; 8 точка- 30 СТ – ось; 9 точка – ОП ЦБН – вертикаль; 10 точка – ОП ЦБН – горизонталь; 11 точка ОП ЦБН – ось; 12 точка – ОУП ЦБН – вертикаль; 13 точка – ОУП ЦБН – горизонталь; 14 точка – ОУП ЦБН – ось.
Результаты диагностирования ГПА-Ц-16 Таблица 4.2.
|
№ п/п |
Неисправности |
Признаки |
Точка измерения |
Общий уровеньСКЗ 10-1000 Гц мм/с |
|
|
Описание полосы |
Значение мм/с |
||||
|
1 |
Вибрация Д |
1-я гармон. КВД |
17,704 |
3 |
39,200 |
|
2 |
Расцентровка СТ и ГГ |
2-я гармон.КВД |
2,126 |
3 |
15,670 |
|
3 |
Дисбаланс ротора ЦБН |
2-я гармон. КВД |
2,312 |
3 |
8,502 |
|
4 |
Расцентровка СТ – ЦБН |
1-я гармон. СТ |
15,501 3,131 |
4 5 |
17,228 12,074 |
|
5 |
Расцентровка СТ-ГГ |
2-я гармон.КВД |
2,767 |
3 |
8,328 |
|
6 |
Неисправность межвального подшипника опоры ТВД |
1-я гарнон. КВД |
17,825 |
1 |
19,211 |
|
7 |
Разрушение лопаточного аппарата СТ |
2-я гармон.КВД |
2,292 9,300 |
3 7 |
21,591 23,086 |
|
8 |
Расцентровка СТ-ЦБН, коробление корпусов статора СТ, дефект дорожки наружного кольца подшипника ПО СТ в ранней стадии |
2-я гармон. СТ |
3,276 |
4 |
19,828 |
|
9 |
Дефект дорожки внутреннего кольца роликового подшипника опоры ТНД в ранней стадии |
2-я гармон. КВД |
2,168 |
3 |
14,100 |
|
10 |
Расцентровка корпуса ГГ к корпусу СТ |
2-я гармон. КВД |
2,191 |
3 |
10,135 |
|
11 |
Небаланс ротора СТ |
2-я гармон.КВД |
2,134 3,473 |
3 5 |
9,983 8,264 |
|
12 |
Разрушение резинового износостойкого кольца во внутренней полости ротора |
1-я гармон. КНД и СТ |
25,092 |
1 |
28,894 |
|
13 |
Неправильная укладка двигателя на опорную систему |
1-я гармон. КВД |
13,092 8,113 |
3 5 |
29,080 10,980 |
Анализ результатов измерений вибрационного состояния, признаков и диагнозов показал:
-Некоторые диагнозы вообще не являются диагнозами дефектов, а являются просто констатацией фактов. К ним следует отнести, например диагноз №1 «Вибрация двигателя».
-Диагнозы неисправности двигателя, например, №6 - «Неисправность межвального подшипника опоры ТВД», №8 - «Дефект дорожки наружного кольца подшипника ПО СТ в ранней стадии», № 9 - «Дефект дорожки внутреннего кольца роликового подшипника опоры ТНД в ранней стадии», №11 – «Небаланс ротора СТ» и № 12 – «Разрушение резинового износостойкого кольца во внутренней полости ротора» мало информативны, поскольку, как это уже указывалось ранее, двигатель не ремонтопригоден в условиях эксплуатации и любой из перечисленных диагнозов без прогнозирования сроков достижения предельного состояния по вибрации не позволяют решить ни одну из главных задач диагностики. Эти и аналогичные диагнозы могут иметь смысл только при выполнении следующих условий:
-при подтверждении дефектов и их признаков по результатам ремонта двигателей на ремонтном предприятии
-при обобщении данных о скоростях развития дефектов и выработке критериев о допустимых уровнях рассматриваемых дефектов, допускающих безопасную эксплуатацию двигателей;
-при разработке методов прогнозирования развития ситуаций.
-Наибольший диагностический эффект может быть получен при выявлении таких дефектов, которые могут быть устранены в условиях эксплуатации, таких, например, как №2 – «Расцентровка СТ и ГГ», №4 – «Расцентровка СТ – ЦБН» или в условиях ремонта на своем ремонтном предприятии, такой как №3 «Дисбаланс ротора ЦБН».
В заключение анализа следует отметить, что общепризнаным постулатом вибрационной диагностики является принцип, что вибрационная диагностика возможна только в тех случаях, когда исходный (начальный) уровень вибрации низкий и когда малые изменения вибрации могут быть использованы в качестве диагностических признаков. Тогда же, когда исходный уровень вибрации составляет величины 15 –20 мм/c и более и отсутствуют объяснения причин таких исходных уровней вибрации, по мнению моего руководителя профессора Урьева Е.В. необходимо в первую очередь выяснить эти причины и при возможности устранить их, а уже затем приступать к разработке принципов и алгоритмов диагностики. В настоящее время в УГТУ-УПИ выполняются расчеты динамических характеристик двигателя и нагнетателя, которые могут позволить выяснить причину высоких исходных уровней вибрации агрегатов.
5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИКИ УЗЛА НАСОСОВ ГНУ И ГНС
5.1. СЛУЧАИ ОТКАЗОВ УЗЛА НАСОСОВ
В ранее приведенной таблице дефектов агрегата (табл.4.1). обращает на себя внимание значительное количество отказов узла насосов (10 отказов). Выявленные дефекты были отнесены к дефектам ГНС – 3 случая, и к дефектам ГНУ – 7 случаев. Общее же количество отказов узла насосов соизмеримо с таким распространенным дефектом, как разрушение камеры сгорания или повышенная вибрация опор двигателя и нагнетателя. Это послужило причиной выполненного нами анализа возникновения дефектов в указанном узле и попытки разработки алгоритмов диагностики данного узла.
Представленные ниже описания разрушений составлены по результатам докладов специалистов ТТГ, принимавших участие в курсах повышения квалификации, проходивших в п. Игрим с 2 по 13 февраля 2004г.
5.2. РАЗРУШЕНИЕ ВАЛА ВЕДУЩЕЙ ШЕСТЕРНИ ГНС
5.2.1. Описание разрушения
При эксплуатации агрегата с нагнетателем, в который была установлена СПЧ производства ОАО НПО «Искра» наблюдались неоднократные случаи разрушения ведущего вала ГНС. Разрушение вала происходило в районе между ведомой шестернею привода ГНС и ведущей шестерней насоса.
Разрушение вала носило ярко выраженный усталостный характер, (см.рис.5.6). Усталостная трещина была расположена асимметрично оси вала. Развитие трещины происходило с поверхности вала. Зона усталости не имеет линий усталости, что указывает на непрерывный характер развития трещины, а темный цвет и цвета побежалости зоны связан с возникновением наклепа металла и возможным воздействием повышенной температуры от выделяемой теплоты при динамических деформациях вала. Большая часть разрушенного сечения светлого фона со следами хрупкого разрушения – зона так называемого долома. Эта зона возникает тогда, когда статические напряжения превышают предел прочности материала, т.е. когда не занятое трещиной сечение недостаточно для передачи крутящего момента, передаваемого валом.
Осмотр редуктора насосов показал, что кроме разрушения вала наблюдается сильный и неравномерный по длине шестерен редуктора износ зубьев и ведущей и ведомых шестерен.
5.2.2. Структурный анализ спектра вибраций.
Основные частоты и соотношения, имеющие техническое обоснование:
Частота вращения ротора нагнетателя – 82 Гц (4920 об/мин).
Лопаточная частота нагнетателя – 1558 Гц (19 лопаток).
Частота вращения вала ГНС – 47 Гц (передаточное число 0,567)
Частота вращения вала ГНУ – 50 Гц (передаточное число 0,548)
Зубчиковая частота редуктора блока насосов – 2788 Гц (34 зуба)
Зубчиковая частота шестерни ГНС – 470 Гц (10 зубьев)
Вибрация заднего подшипника нагнетателя
В спектре вибрации в вертикальном направлении наблюдаются оборотная частота (82 гц) – 0,48 мм/с, лопаточная частота (1558 Гц) – 2,3 мм/с, удвоенная лопаточная частота (3116 Гц) – 0,5 мм/с. В спектре колебаний подшипника просматривается зубчиковая частота редуктора блока насосов (2788 Гц) – 0,1 мм/с.
Неопознанными частотами в спектре частот вертикальных колебаний остались частоты 600, 820, 1230 Гц, имеющие незначительные амплитуды (0,1 – 0,16 мм/с), носящие скорее всего газодинамический характер или являющиеся следами собственных колебаний трубопроводов или некоторых других конструктивных элементов. Выяснение характера этих колебаний позволили бы определить контурные вибрационные исследования корпуса нагнетателя, обвязки трубопроводов и фундамента.
В спектре вибрации в поперечно-горизонтальном направлении наблюдаются также оборотная частота (82 гц) – 0,30 мм/с, лопаточная частота (1558 Гц) – 1,85 мм/с, удвоенная лопаточная частота (3116 Гц) – 0,56 мм/с и зубчиковая частота редуктора блока насосов (2788 Гц) – 0,12 мм/с.
Неопознанными частотами в спектре поперечно-горизонтальных колебаний остались частоты 44 и 1860 Гц, носящие так же скорее всего резонансные механический и газодинамический характеры.
В спектре вибрации в продольно-горизонтальном (осевом) направлении преобладают также оборотная, лопаточная и зубчиковая частоты.
Вибрация узла привода насосов.
Для выяснения неисправности насосов хотелось бы предложить использовать еще шесть точек измерения вибрации, как было сделано инженером-диагностом С. Андреевым, работником Ныдинского ЛПУ МГ. Он, задействовав ранее не использовавшиеся 6 точек, получил данные, позволяющие выявить диагностические признаки дефектов в узле насосов.
Точка 15 – ГНУ, вертикаль;
Точка 16 – ГНУ, горизонталь;
Точка 17 – ГНУ, осевая;
Точка 18 – ГНС, вертикаль;
Точка 19 – ГНС, горизонталь;
Точка 20 – ГНС, осевая.
Спектры вибрации, измеренной в перечисленных точках, показаны на (рис. см. 5.7.1 – 5.7.6). Спектры получены незадолго до момента разрушения вала ГНС.
Во всех спектрах естественно присутствуют оборотная частота вала нагнетателя (82 гц), лопаточная частота (1558 Гц), т.е. частоты колебаний, характерных для опор нагнетателя. Кроме того в спектрах присутствуют зубчиковая частота редуктора блока насосов (2788 Гц), зубчиковая частота шестерни ГНС – 470 Гц, частоты связанные с этой частотой через передаточные числа редуктора – 260 – 290 Гц. Характерным в спектре колебаний является линейчатый спектр в областях частот, характеризующих указанные зубчиковые частоты. Линейчатый спектр с боковыми составляющими, симметрично расположенными относительно центральной частоты, равной произведению количества зубьев ведущей шестерни на частоту вращения, обозначает наличие модулированных колебаний (см. рис. 5.8) в системе редуктора, т.е. колебаний с непостоянной амплитудой или непостоянной частотой [1]. Обычно это вызвано тем, что в редукторе или в насосах имеются причины периодического изменения параметров колебательной системы – либо сопротивления вращающему моменту, либо трения (демпфирования), что соответствует появлению амплитудной модуляции, либо частоты вращения, что сопровождается появлением частотной модуляции. Было также отмечено, что после замены СПЧ, а также после замены разрушенных редукторов привода насосов, исходная вибрация с частотами кратными количеству зубьев ведущей шестерни была существенно ниже, а в процессе эксплуатации повышалась с одновременным ростом боковых частот.
5.2.3. Обоснование диагностических признаков развития дефекта.
Наличие в спектре вибрации ЗОН вибраций с частотой, кратной с количеством зубьев ведущей шестерни (см.рис.5.9) указывает, во-первых, на нерасчетную работу редуктора насосов и, во-вторых, на ненормальную работу приводного вала редуктора.
Передачу вибрации со стороны редуктора на вал нагнетателя вообще нельзя считать нормальным явлением для существующей системы привода насосов. Дело в том, что соединение массивного вала нагнетателя с редуктором осуществляется через промежуточный вал со шлицевым соединением. При нормальной работе соединения передача вибраций через шлицевое соединение, как и при использовании корданного вала с шарнирами по концам, в принципе или вообще невозможна, или очень незначительна. Передача вибрационных возмущений возможна только в том случае, если исчерпана возможность шарнирного эффекта шлицевого соединения, т.е. шлицевое соединение защемлено. Происходит это чаще всего при нерасчетной радиальной или угловой расцентровках валов, соединяемых шлицевым соединением.
5.2.4. Объяснение причин развития дефекта.
Известно, что нагнетатель указанного типа имел конструктивный дефект, выясненный в процессе наладки – упругий изгиб консоли вала нагнетателя из-за неравномерности усилий от прижимной гайки, которой закрепляется колесо нагнетателя на валу. Отсутствие перпендикулярности между торцевой плоскостью гайки и осью вала приводила к одностороннему растяжению вала и его упругому изгибу.
Предлагаемая схема появления дефекта и развития разрушения состоит в следующем.
Из-за возникшего изгиба консольной части ротора нагнетателя, см. рис , вызванного конструктивными дефектами вала, конец вала нагнетателя совершает прецессионное движение со значительной амплитудой. В результате поворота вала нагнетателя в торцевом сечении происходит защемление промежуточного вала в шлицевых соединениях, как со стороны нагнетателя, так и со стороны ведущей шестерни редуктора. Это приводит к появлению изгибающего момента в промежуточном валу и, как результат этого, к повороту (качанию) плоскости вращения ведущей шестерни. Это, поскольку диаметр зубчатого колеса по диагонали больше диаметра зубчатого колеса в среднем сечении, сопровождается периодическими, с частотой вращения вала нагнетателя, изменениями межосевого расстояние между ведомыми шестернями и, следовательно, приводит к появлению изгибающего момента на ведущих валах насосов. При этом вся деформация вала ведущей шестерни ГНС сосредотачивается на очень коротком участке, что и приводит, по нашему мнению к усталостному разрушению вала ведущей шестерни ГНС.
5.3. РАЗРУШЕНИЕ ТОРСИОННОГО ВАЛА И УЗЛОВ ГНУ
5.3.1. Описание разрушения
Неоднократно наблюдались неисправности ГНУ, в частности разрушение подшипников и шлицевой втулки ведущего винта, а также одновременное разрушение торсионного вала, соединяющего ротор нагнетателя и промежуточную шестерню.
После одного из аварийных остановов была произведена разборка ГНУ, и выяснена причина неисправности. Подшипник качения со стороны привода был раскрошен, на шестерне привода ГНУ и ведущей шестерне редуктора были обнаружены дефекты зубьев.
Разрушение торсионного вала имело кольцевой вид. Усталостный характер разрушения вала с симметричным расположением трещины относительно оси обычно говорит о крутильном характере деформации. Таким образом, разрушающими напряжениями были, вероятнее всего, касательные напряжения, вызванные крутильными колебаниями торсионного вала. Разрушение произошло в зоне вблизи соединения торсионного вала с ротором нагнетателя.
5.3.2. Структурный анализ спектра вибраций.
Поскольку при анализе причин рассматриваемого дефекта не были представлены спектрограммы измерений, аналогичные тем, которые получил при своих исследованиях С.Андреев, при анализе мы опирались на материалы докладов специалистов, подтверждающих схожесть спектров колебаний с представленными выше. Дополнительной информацией могли быть следующие признаки:
Перед разрушением торсионного вала спектре появилась высокочастотная вибрация, появилась модуляция вибрации с зубчиковой частотой ведущей шестерни редуктора, модуляция вибрации с частотой вращения вала нагнетателя, модуляция вибрации с частотами вращения валов ГНУ и ГНС. Особенностью при этом было малое изменение амплитуд основных частот колебаний и интенсивный рост во времени амплитуд боковых частот.
Такой эффект характерен для частотной модуляции, вызванной неравномерностью вращения валов из-за непостоянного вращающего момента.
5.3.3. Обоснование диагностических признаков развития дефекта.
Близость диагностических признаков данного дефекта к диагностическим признакам ранее рассмотренного указывает на схожесть если не на полную идентичность начальных причин, вызывающих развитие дефекта – защемление торсионного вала в шлицевых втулках вала нагнетателя и ведущей шестерни редуктора. Только в данном случае развитие дефекта идет по пути разрушения подшипников ГНУ и появления дефектов на ведущем винте ГНУ. При разрушении подшипника появляется повышенный уровень вибрации, «зашумление» спектра колебаний, появление высокочастотных механических колебаний (2-60 кГц) часто связанных с радиальными резонансами подшипников.
Естественно, разрушение подшипника и появление дефектов на ведущем винте ГНУ влечет за собой неравномерное движение вала, и как следствие шестерни привода ГНУ, связанной с промежуточной шестерней. Эти разрушения приводят к периодическому изменению параметров колебательной системы: сопротивлению вращающему моменту и частоты вращения. Это сопровождается появлением динамических касательных напряжений на торсионном валу с частотой вращения вала ГНУ.
При значительных крутильных колебаний и длительной эксплуатации в таких условиях очевидно и происходит развитие кольцевых трещин в торсионном валу.
5.4. ДИАГНОСТИКА ДЕФЕКТОВ УЗЛА НАСОСОВ.
Рассмотренные в данной главе дефекты и выявленные их диагностические признаки позволяют предложить алгоритмы диагностики узла насосов. При этом следует учитывать, что одинаковые или близкие по сути дефекты могут быть результатом несколько отличных друг от друга причин. Все предлагаемые алгоритмы диагностики сведены в таблицу 5.1.
Таблица 5.1. Алгоритмы диагностики узла насосов
|
№ п/п |
Наименование дефекта |
Начальная причина |
Диагностические признаки |
|
1 |
Защемление промежуточного вала привода насосов |
Погиб ротора нагнетателя. |
Наличие на задней опоре нагнетателя вибрации с зубчиковой частотой ведущей шестерни редуктора привода насосов.
2. Появление на узле насосов вибрации с зубчиковой частотой ведущей шестерни ГНС. |
|
Упругий прогиб вала нагнетателя из-за больших дисбалансов. |
|||
|
2 |
Износ шестерен редуктора привода насосов |
Защемление вала привода насосов |
Появление вибраций с частотами, кратными произведению зубчиковых частот на передаточные числа редуктора привода насосов. |
|
Исчерпание ресурса редуктора насосов |
|||
|
3 |
Износ переднего подшипника ведущего вала ГНУ |
Защемление вала привода насосов |
|
|
Исчерпание ресурса подшипника |
|||
|
4 |
Износ ведущего шнекового вала главного насоса уплотнения. |
Износ гильзы, исчерпание ресурса подшипника |
Присутствие вибрации на корпусе ГНУ с удвоенной частотой вращения вала ГНУ. |
Примечание:
Список приведенных алгоритмов не является исчерпывающим. Для его уточнения и для установления абсолютных критических значений вибрационных параметров необходимо дальнейшее накопление данных и их статистическая обработка или проведение специальных экспериментов на опытных установках.
6. Экономическая часть
Эффективность системы диагностирования газоперекачивающего оборудования не только основа высокой надежности газотранспортной сети, но и путь к существенному снижению материальных затрат на ее техническое оборудование.
Технико-экономический эффект от внедрения периодического виброконтроля в производство и в состав АСУ ТП формируется из следующих составляющих:
1. представление информации о вибросостоянии ГПУ;
2. определение необходимых сроков вывода оборудования в ремонт и заблаговременное предупреждение о дефектах узлов оборудования, что позволяет:
• предотвратить сбои в технологическом процессе вследствие преждевременного выхода оборудования из строя;
• заблаговременно подготовить необходимые комплектующие для ремонта;
• повысить качество ремонтных работ за счет контроля при выводе оборудования из ремонта;
• предотвращение или минимизация последствий аварийных ситуаций;
• использование информации от диагностической системы для оптимизационного процесса в составе АСУ ТП;
• обеспечение централизованных диагностических центров для принятия решений о необходимости ремонта оборудования.
ГПА с авиаприводом по показателям надежности не самые плохие. Значение коэффициента технического использования KТИ ГПА это отношение времени его работы ТР к сумме времени работы ТР , вынужденного простоя ТВП агрегата, нахождении в техническом обслуживании и ремонте ТТОР:
КТИ=ТР/(ТР+ТВП+ТТОР)
По данным [ ] среднее значение коэффициента технического использования для ГПА с авиаприводом составляет 0,77.
Выразим сумму времени вынужденного простоя и технического обслуживания и ремонта через Х:
ТВП+ТТОР=Х,
а время работы ГПА примем за 100%,
ТР=1.
С учетом этих данных определим время, затрачиваемое на вынужденный простой и ремонт (Х)
КТИ=1/(1+Х)
0,77=1/(1+Х)
0,77 (1+Х)=1
Х= 0,3
Получаем, что время вынужденного простоя и технического обслуживания и ремонта составляет 30 % от времени работы ГПА. Поскольку использование средств диагностики позволяет прогнозировать неисправности агрегата, подготовить запасные части к моменту вывода агрегата в ремонт, то время на восстановление уменьшается. Принимаем, что время восстановления при использовании средств диагностики снижается на 30%.
Коэффициент технического использования без применения средств диагностики
КТИ1= 1/(1+0,3)=0,77,
с использованием средств диагностики
КТИ2=1/(1+0,2)=0,83,
т.е. при снижении времени простоя в ремонте на 30% происходит улучшение технико-экономических показателей, а именно КТИ на 6%.
По данным различных источников стоимость капитального ремонта двигателя составляет от 3 до 6 миллионов рублей. При использовании средств диагностики за счет возрастания коэффициент технического использования на 6%, происходит снижение времени простоя в ремонте на 30%, при этом получается экономия в 3 миллиона рублей, поскольку затраты на капитальный ремонт за жизненный цикл ГПА составляет 10 млн. рублей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе рассмотрено концепция построения диагностики применительно к оборудованию используемого на некоторых компрессорных станциях «ГАЗПРОМа».
Предложена методика диагностирования на основе структурного анализа спектров колебаний. Данная методика использована для диагностирования неисправностей узла блока масляных насосов. Описаны возможные причины неисправности оборудования.
В работе используются протоколы замера вибрации с заключением инженера-диагноста регионального центра диагностики с использованием программного обеспечения «ВИБРОНИК».
В экономическом разделе произведен анализ изменения технико-экономических показателей надежности, а именно КТИ в результате использования системы диагностирования ГПА. В результате повышения надежности достигается экономический эффект порядка 3-х миллионов руб/год.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вибрационная надежность и диагностика турбомашин. Ч.1. Вибрация и балансировка: Учебное пособие / Е.В. Урьев Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2003. 200с.
2. Урьев Е.В. Основы надежности и технической диагностики турбомашин: Учебное пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 1996. 71 с.
3. Е.В. Урьев Элементы теории надежности и основы теории технической диагностики турбомашин: Учебное пособие / Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2000. 53с.
4. Питер Д. Трибология – возникновение и будущие задачи / Первая международня конференция «Энергодиагностика»: Сборник трудов. М.:, 1995. Т.3. С. 3-28.
5. Мониторинг силовых агрегатов на КС / Е.О. Антонова, И.А. Иванов, О.А. Степанов, М.Н. Чекардовский // СПб.: Недра, 1998.
6. Урьев Е.В. Концепция развития нового поколения систем вибрационного контроля и диагностики энергетического оборудования / Проблемы вибрации и вибродиагностики энергетического оборудования. Всеросс. совещание М.; ВТИ, 1999.
7. Урьев Е.В., Агапитова Ю.Н. Концепция и реализация систем диагностики энергетического оборудования / Труды второй международной научно - технической конференции Уральского отделения АИН РФ. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2000.
8. Урьев Е.В., Агапитова Ю.Н., Сбитнев А.К., Евдокимов С.Ю. Концепция и реализация систем технической диагностики энергетического оборудования. / Проблемы вибрации и диагностики оборудования электростанций //Сборник докладов. - М.: ВТИ. 2001.
9. Вибромониторинг и диагностика – основа достоверной информации о состоянии ГПА. / С.Зарицкий, А. Стрельченко, В.Тимофеев и др. // Газотурбинные технологии, 2000. №5. С.24-26.
10. Статистика надежности газотурбинных газоперекачивающих агрегатов ОАО «Газпром». / В. Бандалетов, В. Чернышов, Г. Щербаков // Газотурбинные технологии, 2002. №1. С.26-28.
11. Анализ экономической эффективности конвертированных авиационных и судовых ГТУ в классе мощности 16 МВт. Э. Загоринский, Н. Мельситдинова. Газотурбинные технологии, 2001. №6. С.16-18.
12. Руководство по технической эксплуатации НК-16СТ. КМПО, 1982.
Артемова Т.Г., Федорченко М.Ю. Эксплуатация газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц-16: Пособие для системы переподготовки и повышения квалификации специалистов газокомпрессорных станций. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 119 с.
13. Барков
Материал из дипломной работы автор нашелся Коробейникова Елена Анатольевна. УГТУ-УПИ 2004г.