СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЗАБРОСА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА НАГНЕТАТЕЛЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА ПРИ ПОМПАЖЕ НАГНЕТАТЕЛЯ
METHOD OF GAS COMPRESSOR UNIT SHAFT OVERSPEED AT DISCHARGER SURGE

Изобретение относится к области эксплуатации газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях в системе магистральных газопроводов и может использоваться в системах автоматического управления газоперекачивающими агрегатами (САУ ГПА).
Известно, что центробежные нагнетатели (компрессоры) имеют область неустойчивой работы. При попадании рабочей точки в эту область происходит помпаж нагнетателя - периодическое резкое изменение частоты вращения, давления на входе и выходе нагнетателя, осевых сдвигов. Помпаж нагнетателя - опасное явление, которое может быть причиной обширных повреждений газоперекачивающего агрегата. Современные САУ ГПА содержат средства, предотвращающие попадание нагнетателя в помпаж. Такие средства бывают двух типов: антипомпажное регулирование (АПР) и антипомпажная защита (АПЗ (см. SU 01466394 A1, F04D 27/02, 04.03.1987; RU 02150611 C1, F04D 27/02, 30.12.1998).
Системы АПР отслеживают координаты рабочей точки и, воздействуя на исполнительные механизмы ГПА, стремятся обеспечить заданный «запас по помпажу» - зону безопасности между текущим положением рабочей точки и границей зоны неустойчивой работы. Однако системы антипомпажного регулирования не могут полностью исключить возможность попадания нагнетателя в помпаж, поэтому САУ ГПА содержат системы антипомпажной защиты.
Системы АПЗ начинают работу, когда нагнетатель попал в помпаж - сработал сигнализатор помпажа - и, воздействуя на исполнительные механизмы ГПА, предотвращают возникновение второго и последующих помпажных хлопков и никак не влияют на заброс во время первого хлопка. Между тем в центробежном компрессоре в первые мгновения после начала помпажного хлопка формируется вращающий момент, способный вызвать значительный заброс частоты вращения. При этом основная задача, решаемая САУ ГПА, состоит в предотвращении недопустимо больших забросов регулируемой величины (частоты вращения) и связанных с этими забросами аварийных остановов ГПА (см. Кириллов И.И., Рыбин П.А., Дюбанов Ю.В., Фатыхов В.Г. Исследование режимов помпажа осевого доменного компрессора // Известия высших учебных заведений. Энергетика. - 1994 г. - №1-2 - с.54-59).
Основным недостатком изобретений по SU 01466394 A1, F04D 27/02, 04.03.1987; RU 02150611 C1, F04D 27/02, 30.12.1998 является отсутствие мер по снижению заброса частоты вращения при первом помпажном хлопке.
Наиболее близким к заявляемому является способ снижения заброса частоты вращения путем резкого прикрытия топливного клапана (см. RU 02168044 C2, F02C 9/28, 08.08.1995). Этот способ выбран в качестве прототипа.
Уравнение, по которому определяется изменение частоты вращения вала, имеет вид:
<mrow><mi>I</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>d</mi><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mi>P</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>P</mi><mn>1,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где I - момент инерции вала, N - частота вращения вала, Pt - мощность турбины, приводящей вал, P1 - мощность, потребляемая нагрузкой на валу.
Поскольку Р1 резко снижается при возникновении помпажа, единственный способ уменьшить заброс частоты - уменьшать Pt, чтобы правая часть уравнения (1) была минимальной по величине. Выражение для мощности Pt можно представить в виде:
<mrow><mi>P</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>⋅</mo><mi>G</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где H - удельная (на килограмм рабочего тела) работа двигателя, G - массовый расход рабочего тела через турбину. Н является явной функцией температуры продуктов сгорания перед турбиной и, следовательно, расхода топлива. По сигналу от сигнализатора помпажа производят резкое прикрытие топливного клапана, и уменьшение мощности Pt происходит главным образом за счет уменьшения сомножителя Н в уравнении (2).
Основным недостатком этого способа является то, что даже при резком прикрытии топливного клапана снижение мощности двигателя из-за инерционности температуры продуктов сгорания происходит с запаздыванием, во время которого происходит заброс оборотов силового вала (заброс частоты вращения вала нагнетателя).
Техническим результатом заявляемого способа является снижение заброса частоты вращения вала нагнетателя при помпаже нагнетателя.
Технический результат достигается тем, что в способе снижения заброса частоты вращения вала нагнетателя газоперекачивающего агрегата при помпаже нагнетателя, заключающемся в резком прикрытии топливного клапана одновременно с резким прикрытием топливного клапана, открывают выпускные воздушные клапаны (ВВК) осевого компрессора.
С целью компенсации запаздывания срабатывания выпускных воздушных клапанов вводят упреждение по отношению к началу заброса частоты вращения на выдачу команд на резкое прикрытие топливного клапана и открытие выпускных воздушных клапанов, для чего снижают порог срабатывания сигнализатора заброса.
С целью уменьшения вероятности ложного срабатывания сигнализатора порог срабатывания адаптивно меняют в зависимости от частоты вращения вала нагнетателя.
На фиг.1 приведен график изменения частоты вращения вала нагнетателя при помпаже нагнетателя.
На фиг.2 приведен график изменения частоты вращения вала нагнетателя при помпаже нагнетателя в случае, когда команда на резкое прикрытие топливного клапана и открытие ВВК выдается с упреждением, во время плавного нарастания частоты вращения.
На графике фиг.1 отмечено плавное повышение частоты вращения, предшествующее помпажу, момент начала помпажа (срыв потока) и заброс (на графике показан заброс, превышающий аварийную уставку). На графике также показано время запаздывания ВВК (команда на открытие ВВК выдается в момент начала помпажа).
На графике фиг.2 команда на открытие ВВК и резкое прикрытие топливного клапана выдается с упреждением во время плавного нарастания частоты. При этом фактическое открытие ВВК происходит в момент, близкий к началу помпажа, что приводит к снижению заброса.
Способ реализуется следующим образом.
В целях снижения величины заброса частоты вращения вала нагнетателя, в дополнение к резкому прикрытию топливного клапана предлагается открывать ВВК осевого компрессора, что резко уменьшит объем расхода воздуха для рабочего тела и, тем самым, расхода продуктов сгорания через турбину, что позволит дополнительно снижать мощность Pt за счет уменьшения второго сомножителя в уравнении (2).
Однако недостаточное быстродействие ВВК снижает эффективность подавления заброса. Время срабатывания ВВК агрегата ГТК-10-4 составляет 500-800 мс, и за это время происходит заброс частоты вращения вала нагнетателя.
Известно, что при уменьшении расхода компримируемого газа через нагнетатель происходит плавное увеличение частоты вращения вала нагнетателя, парируемое топливным регулятором. При дальнейшем уменьшении расхода возникает срыв потока на лопатках ротора (помпаж нагнетателя). Для повышения эффективности подавления заброса в настоящем изобретении предлагается ввести упреждение выдачи команд на резкое прикрытие топливного клапана и открытие ВВК по отношению к началу заброса частоты вращения вала нагнетателя. Для этого снижают порог срабатывания сигнализатора заброса до величины, обеспечивающей срабатывание во время плавного нарастания частоты вращения, предшествующего помпажу. Однако снижение порога увеличивает вероятность ложной идентификации помпажа, особенно при подготовительных операциях по вводу газоперекачивающего агрегата в штатный режим нагнетания технологического газа в магистральный трубопровод.
Для уменьшения вероятности ложного срабатывания сигнализатора предлагается ввести адаптивное изменение порога срабатывания в зависимости от частоты вращения вала нагнетателя: если частота вращения достаточно низка, так, что при максимальном забросе не превысит аварийную уставку, порог срабатывания повышают, при работе в штатном режиме порог снижают до минимально возможного уровня.
Заявляемый способ прошел испытания в Надымском линейно-производственном управлении магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Югорск» на ГПА ГТК-10-4. Было проведено два испытания при работе ГПА в магистраль с частотой вращения 4300 об/мин с искусственным введением ГПА в помпаж. Агрегат работал в группе из двух ГПА, помпаж вызывался открытием крана 3-бис на соседнем агрегате. В первом испытании без каких-либо мер по снижению заброса заброс частоты вращения вала нагнетателя составил 910 об/мин. Затем при втором испытании порог сигнализатора был снижен с 20 об/мин за 0,1 с до 6 об/мин за 0,1 с, при этом испытании упреждение срабатывания сигнализатора составило 550 мс, фактическое открытие ВВК произошло через 50 мс после начала помпажа, заброс составил 478 об/мин.