Исследование диагностических признаков технического состояния газоперекачивающих агрегатов ГТК -25і фирмы Нуово-Пиньоне

Обосновывается необходимость проведения диагностирования технического состояния газоперекачивающих агрегатов (ГПА) ГТК 25і, которые используются на магистральном газопроводе «Уренгой — Помары — Ужгород». Приводится анализ методов диагностирования технического состояния лопаточного аппарата ГПА в процессе эксплуатации, основанных на получении акустического сигнала, генерируемого лопаточным аппаратом в процессе эксплуатации ГПА и дальнейшей его обработке.

На основании анализа спектров акустических сигналов, полученных в результате обработки данных экспериментальных исследований, рассматриваются диагностические признаки технического состояния осевого компрессора ГТК 25і, которые могут быть положены в основу метода его диагностирования в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: диагностический признак, акустический сигнал, спектр, методы диагностирования, лопаточный аппарат.

Введение

Введенный в эксплуатацию в 70–80-х годах прошлого века газотурбинный парк компрессорных станций (КС) газотранспортной системы Украины и России, часть которого составляют газоперекачивающие агрегаты (ГПА) зарубежных фирм-изготовителей, сегодня продолжает активно использоваться. Так, из более 150 ГПА ГТК- 25і фирмы Нуово-Пиньоне (Италия) находящихся в эксплуатации на магистральном газопроводе “Уренгой-Помары-Ужгород” 50 % ГПА отработало установленный моторесурс или близки к этому [1, c.154, 2, c.28].

Дальнейшая эксплуатация ГПА приводит к ухудшению их технического состояния и, как следствие, возникновению отказов и аварийных ситуаций. В связи с этим актуальной является задача диагностического обеспечения надежной и эффективной эксплуатации ГПА ГТК 25і [2, с.28].

Анализ исследований и публикаций

Сегодня для контроля технического состояния ГПА и его лопаточного аппарата используют методы вибрационной диагностики, ультразвукового контроля, магнитопорошковой диагностики, цветной дефектоскопии, вихретоковый метод, метод акустической эмиссии и другие. Наиболее эффективными методами диагностирования ГПА являются методы вибродиагностики, обуславливаемые высокой информативностью вибрационных процессов, сопровождающая работу ГПА, их органической связью с динамическими процессами возбуждения и распространения колебаний в механизмах и узлах ГПА, а также возможностью автоматизации процессов сбора и обработки диагностической информации с использованием современных средств микропроцессорной техники и новейших пакетов прикладных программных продуктов [3, с.159, 4, с.136, 5,с. 115, 6].

Выделение нерешенных проблем

Несмотря на широкое применение и эффективность методов вибродиагностики, их использование для диагностирования состояния лопаточного аппарата ГПА является недостаточнымсточки зрения обеспечения его надежности, что объясняет значительный процент дефектов, который приходится на долю лопастного аппарата ГПА в процессе эксплуатации и требует разработки новых методов, в частности методов акустической диагностики [2, с.25] и современных методов аэродинамики дозвуковых потоков газа для контроля технического состояния [7, с. 24].

Формирование цели

Целью данной работы является исследование диагностических признаков спектра акустических колебаний, генерируемых лопаточным аппаратом ГПА, которые могут быть положены в основу метода диагностирования их технического состояния в процессе эксплуатации.

Результаты

Для получения акустических характеристик осевого компрессора была использована разработанная система акустического контроля работы осевого компрессора (ОК) [8, с.46] реализованная на чувствительном электретном микрофоне, смонтированном во взрывобезопасном корпусе у опорного подшипника № 1 ОК и, специально разработанной, электронной измерительной схеме. Принцип действия электретного микрофона основан на способности некоторых диэлектрических материалов (электретов) сохранять поверхностную неоднородность распределения заряда в течении длительного времени. С использованием разработанной системы контроля были получены временные реализации акустического сигнала при работе ОК ГТК 25і до и после ремонта в широком частотном диапазоне (40–15000 Гц).

С целью выделения группы собственных частот были построены спектры акустических сигналов, записанных в процессе пуска ГТК 25і, находящихся в эксплуатации на КС Богородчанского ЛПУМГ УМГ «Прикарпаттрансгаз», для интервалов времени от 4 до 5-й минуты (переходный процесс) и от 7 до 8-й минуты (установившейся режим с относительно постоянной частотой вращения). Для построения спектра использовали метод Уэлча, предусматривающий усреднения спектров для последовательных интервалов времени, перекрывающихся с взвешиванием на каждом интервале с помощью функции окна (длину окна принято 65536, коэффициент перекрытия 0.95).

С целью предварительной оценки динамических свойств спектра было построено частотно-временное представление акустического сигнала при пуске ОК с помощью преобразования Фурье (STFT) с длиной окна 2048 отсчетов и функцией окна Блэкмена-Харриса (использовалась программа Adobe Audition).

Проведенный анализ частотно-временного представления акустического сигнала показал наличие двух групп частотных составляющих:

-          пропорциональных частоте вращения ротора осевого компрессора;

-          не зависящих от этой частоты, которые гипотетически могут быть обусловлены колебаниями на собственных частотах его узлов и деталей. Для второй группы частот в спектре могут наблюдаться «размытые» максимумы, что обусловлено наличием демпфирования, причем степень демпфирования определяет добротность колеблющегося контура и, соответственно, ширину частотной полосы максимума в спектре.

Для выявления диагностических признаков технического состояния ОК был проведен анализ уровней амплитуд акустического сигнала на частотах, связанных с частотой вращения его ротора и обусловленных конструктивными характеристиками элементов механизма ОК для сигналов, измеренных в процессе его запуска и в установившемся режиме работы до, и после ремонта ОК.

Исходными данными для расчета была информация о количестве лопаток на всех ступенях ОК, лопаток турбины высокого давления (ТВД), а также кинематическая схема редуктора и информация о количестве зубьев на колесах каждой из ступеней редуктора n1, n2, n3, n4, n5, n6.

Анализ спектров показал, что на частотах вращения промежуточного вала, валов генератора и смазочного насоса, а также на частотах зубозацепления редуктора заметных максимумов не наблюдается. Поэтому для анализа выбрано лопаточные частоты по каждой из ступеней ОК и первые три их гармоники. Отдельные результаты приведены в табл. 1–6.

Таблица 1

Амплитуды гармоник акустического сигнала осевого компрессора ГТК 25і № 3

* — N_0 — частота вращения ротора осевого компрессора, об/мин.

Из табл. 1 видно, что, несмотря на незначительное изменение частот гармоник, из-за снижения частоты вращения вала ОК на 38 об/мин., на рабочих режимах наблюдается снижение уровня амплитуд гармоник ОК после проведения ремонта его лопаточного аппарата (∆f₁=31,64 %, ∆f₂=20,21 %, ∆f₄=18,25 %, ∆f₅=1,64 %), что обусловлено улучшением технического состояния ОК в результате проведенного ремонта. Исключение составляет третья гармоника, амплитуда которой возросла на ∆f₃=15,76 % (табл. 1).

Таблица 2

Амплитуды гармоник лопатковых частот акустического сигнала осевого компрессора ГТК 25і № 3 после его пуска (до ремонта)

Рассматривая распределение амплитуд гармоник на лопатковых частотах в процессе пуска ОК (табл. 2), можно отметить следующие закономерности: незначительный уровень первой гармоники 0,1,2-ой ступеней с последующим его возрастанием на 3–6,15-ых ступенях с 16,08 дБ до 28,88 дБ. Затем падение до 25,40 дБ на 7,13и14-ой ступенях с последующим возрастанием до 35,53 дБ на 9–12-ой ступенях и 46,71 дБ на ТВД. Распределение амплитуд второй гармоники по ступенях ОК, как видно из табл. 2, не имеет четкой закономерности.

В то же время прослеживается четкая закономерность возрастания уровня амплитуды 3-ей гармоники лопатковой частоты по ступенях ОК и ТВД. Исключение составляет 4-ая ступень на которой наблюдается снижение уровня амплитуды до 37,12 дБ (см. табл.2).

Таблица 3

Амплитуды гармоник лопаточных частот акустического сигнала осевого компрессора ГТК 25і № 3 в рабочем режиме (до ремонта).

Анализируя распределение амплитуд гармоник на лопатковых частотах в рабочем режиме ОК (табл. 3), отметим, что им характерны те же закономерности, которые присущи ОК после его пуска. Отличие наблюдается в уровнях амплитуд гармоник на лопатковых частотах по 0,1,2-ой и 9–12-ой ступенях ОК и ТВД:

-          для 1-й гармоники: с 5,29дБ после пуска ОК до 13,34дБ в рабочем режиме и с 35,53 дБ и 46,71дБ после пуска ОК до 47,55 дБ и 57,43 дБ в рабочем режиме;

-          для 3-й гармоники: с 29,44 дБ после пуска ОК до 42,4 дБ в рабочем режиме и с 62,07 дБ до 68,61 дБ после пуска ОК до 75,31дБ и 77,8 дБ в рабочем режиме.

Анализ полученных результатов по всему объему проведенных экспериментов показывает, что можно установить зависимости между уровнями акустического сигнала на лопаточных частотах и их гармониках, с одной стороны, и техническим состоянием лопаточного механизма ОК, с другой стороны, т. е. выявить диагностические признаки, на основании которые могут быть разработаны методы диагностирования ОК.

Полезными для построения эталона ОК «бездефектного» ГТК 25i могут быть результаты измерений по ГПА № 2 (наработка после ремонта — 5450 моточасов, регламентный межремонтный интервал- 16000 моточасов (см. табл. 4).

Таблица 4

Амплитуды гармоник акустического сигнала осевого компрессора ГТК 25і № 2

Как видно из табл. 4 прослеживается определенная закономерность возрастания уровня амплитуд гармоник за исключением 2-ой гармоники, уровень которой должен был составить около 13,0 дБ, а составил 2,6 дБ.

В табл.5 приведены уровни амплитуд лопаточных частот по каждой из ступеней ОК и первые три их гармоники за результатами экспериментов, проведенных 12.10.2012 г. на КС Богородчанского ЛУМГ по ГТК 25і № 2.

Таблица 5

Амплитуды гармоник лопаточных частот акустического сигнала осевого компрессора ГТК 25і № 2 после пуска 29.10.2012 г

В табл. 6 приведены результаты аналогичных экспериментов по ГТК 25і № 2 проведенных 18.12.2012 г., т. е. после 1032 часов наработки.

Таблица 6

Амплитуды гармоник лопаточных частот акустического сигнала осевого компрессора ГТК 25і № 2 после пуска 18.12.2012 г.

Проанализируем данные табл. 5 и 6. Как видно из указанных таблиц после 1032 часов наработки проследить закономерности изменения амплитуд гармоник лопаточных частот по ступеням ОК, т. е. выбрать диагностические признаки для оценки его технического состояния, не представляется возможным. В то же время четко прослеживается возрастание уровня амплитуды 3-ей гармоники по отдельным ступеням ОК (в табл.5,6 выделены жирным): по ступеням 0,1,2-ой на 58,33 %, по 3-ей ступени на 9,73 %, по 4-ой ступени на 14,56 % и по 5 и15 ступенях — на 6.25 %. Из рассмотренных ступеней наиболее чувствительными к изменению технического состояния являются 0,1,2-ая ступень — изменение на 58,33 %, а также 4-ая ступень — изменение на 14,56 %. Ниже на рис. 1 приведена амплитудно-частотная характеристики акустического сигнала работающего ГПА ГТК-25i, на которой четко прослеживаются значительные уровни амплитуд, вызванные работой наиболее нагруженных узлов (в частности лопаток 0,1,2-ой ступеней ОК ГТК-25i № 3 fл_0,1,2= 2710 Гц при N₀= 5085 об/мин.). Как видно из рис. 1 акустические колебания более информативны, характеризуются широким непрерывным спектром с гармоническими и субгармоническими составляющими лопатковых частот ступеней ОК и отдельными спектральными составляющими с амплитудами достаточно высокого уровня.

Рис. 1. Амплитудно-частотные характеристики акустического сигнала 1-ой ступени осевого компрессора ГПА ГТК-25і № 3.

Выводы

Акустические колебания, генерируемых лопаточным аппаратом в процессе запуска и эксплуатации осевого компрессора ГПА ГТК 25i, являются наиболее информативные для оценки технического состояния ОК.

Проведенный анализ лопаточных частот по каждой из ступеней ОК и первых трех гармоник показал отсутствие четких закономерностей их изменения по мере наработки ГТК 25i, т. е. изменения его технического состояния.

Наиболее чувствительными к изменению технического состояния являются 0,1,2-я и 4-я ступени ОК ГТК 25i. Так, при наработке равной 1032 часа, изменение уровня акустического сигнала по 0,1,2-й ступенях составило 58,33 %, а по 4-й ступени — 14,56 %, что позволяет использовать их в качестве диагностических признаков при контроле технического состояния лопаточного аппарат ОК ГТК 25i.

Анализ изменения уровня амплитуды гармонических, субгармонических составляющих лопатковых частот в спектре акустических колебаний 0,1,2-й ступеней ОК ГТК 25i, а также спектральных составляющих большой амплитуды, позволит выявить дополнительные диагностические признаки, которые могут быть положены в основу разработки метода диагностирования его лопаточного аппарата.

Литература:

1.         Замиховский, Л. М., Скрипюк, Р. Б. Использование SCADA системы WinCC для создания тренажера диспетчера компрессорной станции. Молодой ученый, 2014, № 9(68), 154–158.

2.         Заміховський Л. М., Павлик В. В. Дослідження вібраційного стану осьового компресора ГПА ГТК 25і фірми «Ново Піньйоне». Прилади і методи контролю якості, 2014, № 1(32), 28–38.

3.         Васильев Ю. Н., Бесклетный М. Е., Игуменцев Е. А. Вибрационный контроль технического состояния газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. М.: Недра. 1987, 196 с.

4.         Сапрыкин С. А. Методы и технические средства вибрационной диагностики

5.         газоперекачивающего оборудования. Х., 2009, 368 с.

6.         Бесклетный М. Е., Игуменцев Е. А. Вибрационная диагностика лопаток ГТУ по предельным уровням крутильных колебаний ротора. Проблемы прочности./М. Е. Бесклетный, Е. А. Игуменцев. — М.: Недра., 1981, с. 114–117.

7.         6.  Барков А. В. Интеллектуальные системы мониторинга и диагностики машин [Електронний ресурс].- Режим доступу: http://www.vibrotek.ru/russian/biblioteka/book16

8.         Заміховський Л. М., Іванюк Н.І., Криштопа В. С. Дослідження впливу зміни профіля лопатей газоперекачувальних агрегатів на характер коливних процесів, що генеруються ними. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 4, 23–30

9.         Павлик В. В. Напрямки підвищення ефективності експлуатації газоперекачувальних агрегатів в умовах Богородчанського ЛВУМГ. Наукові вісті Галицької академії, 2012, № 2 (22),.44–49.