СПОСОБ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF RESIDUAL RESOURCE ASSESSMENT OF MAIN UNITS OF GAS TURBINE PLANT

Изобретение относится к области техники, а более конкретно - к способу оценки остаточного ресурса основных узлов газотурбинной установки.
Настоящее изобретение может найти применение при создании, эксплуатации, управлении и мониторинге систем различного назначения, включая сложные технические системы, в которых интегрированы газотурбинные установки, используемые в энергетике, машиностроении, коммунальном хозяйстве и других отраслях.
В основу настоящего изобретения положена задача создания такого способа оценки остаточного ресурса основных узлов газотурбинной установки, который позволил бы определять остаточный ресурс основных узлов ГТУ на основе эквивалентных часов, определять узел с наименьшим остаточным ресурсом, автоматизировано корректировать остаточный ресурс по результатам проведенных обследований, восстановления или замены деталей.
Наиболее близким к данному изобретению является способ контроля технического состояния газотурбинной установки (патент РФ №2432561), который можно принять за прототип. Данное изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах (САУ) автоматического управления газотурбинными установками (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и газотурбинных электростанций (ГТЭС). Дополнительно в процессе эксплуатации ГТУ фиксируют количество пусков и аварийных пусков ГТУ, измеряют температуру газов за турбиной ГТУ и фиксируют количество ее резких изменений, фиксируют марку и качество топлива, подаваемого в камеру сгорания (КС) ГТУ, фиксируют количество инжекций воды на вход в ГТУ, фиксируют время эксплуатации ГТУ на режиме базовой нагрузки и на режиме пиковой нагрузки, определяют расчетно-экспериментальным путем коэффициенты влияния на скорость выработки ресурса ГТУ пусков и аварийных пусков ГТУ, резких изменений температуры газов за турбиной ГТУ, инжекций воды на вход в ГТУ, качества топлива, подаваемого в КС ГТУ, режима нагрузки ГТУ при ее эксплуатации, рассчитывают эквивалентную наработку ГТУ, сравнивают ее с общей наработкой ГТУ, и если эквивалентная наработка больше общей наработки, то для определения сроков регламентных работ или капитального ремонта ГТУ используют эквивалентную наработку. Технический результат изобретения - повышение качества оценки технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС.
Однако рассмотренный прототип имеет следующие недостатки:
- не является универсальным для различных типов ГТУ;
- не позволяет определять узел с наименьшим остаточным ресурсом и автоматизировано корректировать остаточный ресурс по результатам проведенных обследований.
Задачи изобретения решены и недостатки прототипов устранены в реализованном согласно настоящему изобретению способе оценки остаточного ресурса основных узлов газотурбинной установки, состоящей из отдельных узлов, агрегатов и/или подсистем агрегатов, на основе данных о функционировании агрегатов и/или подсистем агрегатов, при этом данные о функционировании представлены в виде показателей, характеризующих технологические параметры основных узлов и предусматривающий следующие стадии:
1) накапливают данные о функционировании основных узлов газотурбинной установки, характеризующие показатели технологических параметров их функционирования и передают их эксперту;
2) эксперт получает данные о функционировании основных узлов газотурбинной установки и формирует на основании полученных данных выборку показателей функционирования для основных узлов;
3) эксперт на основе метода эквивалентных часов определяет остаточный ресурс основных узлов газотурбинной установки;
4) эксперт по результатам шага 3 определяет узел с наименьшим остаточным ресурсом;
5) по результатам шага 4 автоматизировано корректируют остаточный ресурс по результатам проведенных обследований, восстановления или замены деталей.
6) полученные показатели и состояния необязательно сохраняют и используют в качестве сигнализирующих и/или управляющих воздействий, позволяющих достичь безопасного и оптимального функционирования отдельных агрегатов и/или подсистем агрегатов, и/или газотурбинной установки в целом.
За счет реализации заявленного авторами способа достигаются следующие технические результаты:
- он является универсальным и объективным для различных типов ГТУ;
- позволяет определять узел с наименьшим остаточным ресурсом и автоматизировано корректировать остаточный ресурс по результатам проведенных обследований.
Настоящее изобретение будет раскрыто в нижеследующем описании системы оценки остаточного ресурса основных узлов газотурбинной установки, состоящей из отдельных агрегатов и/или подсистем агрегатов, на основе данных о функционировании агрегатов и/или подсистем агрегатов, при этом данные о функционировании представлены в виде показателей, характеризующих технологические параметры основных узлов.
Для ГТУ различают фактическую наработку и эквивалентную наработку. Такое разделение является следствием того, что турбина, работающая в маневренном режиме с частыми пусками и остановами, вырабатывает ресурс быстрее, чем при работе на базовой нагрузке (особенно снижение ресурса заметно у элементов камеры сгорания и лопаток силовой турбины). Цель применения принципа эквивалентной наработки в построении адекватной ремонтной политики, соответствующей различным эксплуатационным условиям газовой турбины.
Международным [1] и российским [2] стандартами установлена общая формула для определения числа эквивалентных часов работы для газовых турбин следующего вида:
а
1
где  - коэффициент для каждого пуска;
1
2
а
n - число пусков;  - коэффициент для каждого аварийного пуска;
2
n - число аварийных пусков;
n - число резких изменений температуры;
i
t - эквивалентное время работы для резкого изменения температуры, например, вследствие ступенчатого изменения нагрузки или отключений;
ƒ - коэффициент для загрязненных, неоговоренных или неустановленных видов топлива;
w - коэффициент для инжекций пара или воды;
1
b - коэффициент для режима базовой нагрузки;
1
t - время эксплуатации на уровне, не превышающем базовую нагрузку;
2
b - коэффициент для режима пиковой нагрузки;
2
t - время эксплуатации между базовой и пиковой нагрузками.
Также данными стандартами предусматривается возможность использования других коэффициентов.
Для решения задачи оптимального планирования режимов работы газотурбинной станции можно ограничиться рассмотрением лишь тех составляющих в формуле, которые зависят от режима работы. К таковым следует отнести составляющие учитывающие пуски и изменения нагрузки ГТУ, а также коэффициенты для режимов работы при различном уровне мощности. А слагаемые, учитывающие аварийные пуски, резкие изменения температуры, использование различных видов топлива и инжекцию пара следует исключить из рассмотрения. С учетом изложенного выше, модернизируя формулу, можно записать следующее выражение для числа часов эквивалентной наработки:
a
i
где  - коэффициент для пуска или изменения нагрузки;
i
n - число пусков или изменений нагрузки;
j
I - общее число пусков и изменений нагрузки; b - коэффициент, учитывающий работу газовой турбины на j-м режиме;
j
τ - время работы газовой турбины на j-м режиме;
J - общее число режимов работы газовой турбины за расчетный период.
Единого подхода к определению коэффициентов в уравнении не существует и они в значительной степени разнятся у различных производителей газовых турбин. Рекомендации по оценке эквивалентной наработки у заводов изготовителей и исследовательских организаций основаны на частном опыте эксплуатации собственных моделей турбин и постоянно меняются по мере обновления оборудования и совершенствования расчетных моделей, в связи с этим в формуле изобретения мы подчеркиваем роль экспертных решений.
Ниже приведены некоторые подходы.
• Mitsubishi
Mitsubishi Heavy Industries LTD для своих газовых турбин устанавливает следующее соответствие между режимами и часами работы при базовой нагрузке:
- резкое отключение - 200 ч;
- резкий сброс нагрузки - 120 ч;
- стандартное отключение - 20 ч;
- работа на частичной нагрузке снижает темп выработки ресурса до 20%.
• PJM Interconnection, LLC
Согласно рекомендациям Региональной Распределительной Организации (Regional Transmission Organization) PJM, владельцы генерирующих мощностей должны рассчитывать число эквивалентных часов для газовых турбин по следующей формуле:
а
Тэкв= ⋅ n + τсум + b ⋅ пик,
а
а
сум
где  - коэффициент для каждого пуска (=10 ч); n - число пусков; τ -общее время эксплуатации на любом уровне мощности; b - коэффициент для учета работы при температурах на входе в газовую турбину выше базового уровня (b=3);
пик
τ - время эксплуатации с превышением базового уровня температуры на входе в газовую турбину.
• The Воусе Engineering International Inc.
По указаниям, предложенным исследовательской организации The Воусе Engineering International Inc., учитывать следует лишь пуско-остановочные операции, ставя в соответствие каждому пуску постоянное значение - 50 эквивалентных часов. Работа на любом уровне нагрузки приравнивается работе при базовой нагрузке.
• General Electric Company
General Electric для своих газовых турбин рекомендует использовать раздельный учет пуско-остановочных операций и работу при постоянной нагрузке. При этом ресурс считается выработанным, если будет достигнут предел по одному из критериев (либо по числу пусков, либо по наработке).
Ввиду столь существенного разброса рекомендаций по определению эквивалентной наработки, наиболее универсальным подходом для решения этой задачи будет применение хорошо отработанных методик расчета на прочность и долговечность наиболее критичных узлов газовой турбины. Элементами, подвергающиеся наиболее интенсивным термическим напряжениям, являются лопатки первых ступеней силовой турбины. Из-за этого периодичность плановых осмотров, капитальных ремонтов и замен газовой турбины необходимо выбирать в соответствии с ресурсом именно этих элементов.
Исходя из вышеизложенного, эксперт на основе метода эквивалентных часов определяет остаточный ресурс основных узлов газотурбинной установки, затем по результатам предыдущего шага определяет узел с наименьшим остаточным ресурсом, после чего автоматизировано корректируют остаточный ресурс по результатам проведенных обследований, восстановления или замены деталей. Полученные показатели и состояния необязательно сохраняют и используют в качестве сигнализирующих и/или управляющих воздействий, позволяющих достичь безопасного и оптимального функционирования отдельных агрегатов и/или подсистем агрегатов, и/или газотурбинной установки в целом.
По сравнению со способами известными авторам, заявляемый способ обладает максимальной универсальностью и гибкостью и позволяет достичь лучших результатов, в частности автоматизировано корректировать остаточный ресурс по результатам проведенных обследований.
Литература
1. ISO 3977-9:1999 Gas turbines - Procurement-Part: Reliability, Availability, Maintainability and Safety. - Geneva: ISO, 1999.
2. ГОСТ P 52527-2006 Установки газотурбинные. Надежность, готовность, эксплуатационная технологичность и безопасность. - М.: Стандартинформ, 2006.