СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
PROCEDURE FOR OPERATING GAS TURBINE INSTALLATION

Изобретение относится к области эксплуатации газотурбинных установок, в частности оценке технического состояния газотурбинного двигателя и осуществлению контроля степени загрязнения газовоздушного тракта двигателя.
Основной эксплуатационной причиной снижения мощности газотурбинной установки является загрязнение газовоздушного тракта. Эффективность эксплуатации газотурбинных установок в подобных случаях зависит от своевременной диагностики ухудшения параметров и выполнения очистки газовоздушного тракта для восстановления мощности.
Известен способ эксплуатации энергетической газотурбинной установки (ГТУ), предусматривающий очистку газовоздушного тракта на основе данных о снижении вырабатываемой электрической мощности (ΔN) по сравнению с техническим состоянием ГТУ перед началом эксплуатации [Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Издательство МЭИ, 2002 г., стр.178-179].
Измерение параметра N производят для одинаковых условий на входе в ГТУ при номинальном уровне нагрузки, скорректированной температуре газов на выходе ГТУ и полностью открытом положении входного направляющего аппарата компрессора. После проведения очистки проточной части ГТУ производят повторное измерение электрической мощности для подтверждения восстановления характеристик.
Недостатком известного способа является невозможность использования диагностического признака - снижения электрической мощности ΔN при оценке степени загрязнения ГТУ для механического привода.
Известен также способ оценки технического состояния газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом на основе многофакторного диагностирования параметров их проточной части с использованием комплекса нелинейных математических моделей ГТУ и центробежного нагнетателя, которые согласовывают между собой через параметры механической мощности и частоты вращения силового вала [Патент РФ №2217722, G01M 5/00, 2003 г.]. О неисправностях в работе судят по изменениям во времени параметров состояния ГТУ и интегральным показателям работы газоперекачивающего агрегата.
Недостатками данного аналога и подобного способа, реализованного в системе диагностирования газоперекачивающих агрегатов [Патент РФ №2245533, G01M 15/00, F04D 27/02, 2005 г.] и предусматривающего параметрическую, вибрационную, визуально-оптическую, ресурсную и экспертную диагностику с последующим проведением ремонтно-восстановительных работ, являются существенный объем регистрируемой параметрической информации, сложность диагностической аппаратуры, необходимость в высокой квалификации обслуживающего персонала, что неизбежно приводит к повышенным эксплуатационным расходам.
РНД
рнд
рвд
рвд
Наиболее близким к заявляемому способу является способ эксплуатации турбореактивного двигателя по его техническому состоянию, предусматривающий периодический вывод двигателя на частоту вращения ротора низкого давления n, близкую к полученной в начале эксплуатации для максимального режима, далее создают на турбине перепад давления, близкий к перепаду давления в начале эксплуатации на этой частоте вращения n, измеряют частоту вращения ротора высокого давления n (газогенератора), сравнивают ее величину со значением, полученным в начале эксплуатации, и при увеличении n более чем на 1,5% осуществляют промывку газового тракта двигателя до уменьшения этого отклонения на 1,5…2% [Патент РФ №2168163, G01M 15/00, 2001 г.].
гг
Основным недостатком прототипа является необходимость в специальном выводе двигателя на максимальный режим, что приводит к дополнительным эксплуатационным расходам, связанным с ускоренной выработкой ресурса горячей части двигателя и тратам топлива на периодические проверки. Кроме того, параметр частоты вращения ротора газогенератора (n) как диагностический признак не в полной мере учитывает изменение расходной характеристики компрессора из-за загрязнения газовоздушного тракта. Поэтому известный способ не обеспечивает высокую достоверность определения необходимости промывки газовоздушного тракта.
Техническая задача - исключение эксплуатационных затрат, связанных с необходимостью проведения специальных действий по оценке состояния газовоздушного тракта, и повышение достоверности определения необходимости его промывки за счет повышения точности и частоты контроля степени загрязнения в процессе эксплуатации установки.
гг
гг исх
Указанная задача решена за счет того, что в способе эксплуатации газотурбинной установки по техническому состоянию газотурбинного двигателя (ГТД) путем периодического определения отклонений параметров ГТД, в частности величины частоты вращения ротора газогенератора n, измеренной в процессе эксплуатации установки, от исходных значений параметров, в частности n, определенной в процессе заводских сдаточных испытаний перед началом эксплуатации на контролируемом режиме работы, и выполнения очистки газовоздушного тракта газотурбинной установки при изменении отклонений параметров сверх заранее установленных величин, согласно изобретению предварительно на этапе проектирования ГТУ формируют эксплуатационную математическую модель работы ГТУ, включающую первую функциональную зависимость в виде
к реж
к
н
1
рк
гг
Р=f(Р*, Р, К, К, Δn),
к реж
к
где Р - величина Р*, приведенная к принятым атмосферным условиям при определении исходных значений параметров и контрольному режиму с учетом программ управления ГТД установки, предназначенных для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик ГТД;
к
Р* - абсолютное давление воздуха за компрессором;
н
Р - атмосферное давление;
1
к
K - коэффициент приведения Р*;
рк
к
К - коэффициент приведения Р* к контролируемому режиму;
гг
гг
гг
гг реж
гг исх
Δn - отклонение величины n от исходного значения, вычисленное по формуле: Δn = n - n,
гг реж
гг
где n - величина n, приведенная к принятым атмосферным условиям при определении исходных значений параметров, с учетом программ управления ГТД, предназначенных для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик ГТД,
гг реж
гг
2
n =f(n, К),
2
гг
где К - коэффициент приведения n;
гг исх
гг
n - исходное значение n на контролируемом режиме при принятых атмосферных условиях;
и вторую функциональную зависимость в виде
т реж
т
3
тт
гг
t=f(t*, К, К, Δn),
т реж
т
где t - величина t*, приведенная к принятым атмосферным условиям при определении исходных значений параметров и контрольному режиму с учетом программ управления ГТД, предназначенных для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик ГТД;
т
t* - температура газов за турбиной газогенератора;
3
т
К - коэффициент приведения t*;
тт
т
К - коэффициент приведения t* к контролируемому режиму.
т
к
н
т исх
к исх
В процессе заводских сдаточных испытаний перед началом эксплуатации дополнительно на контрольном режиме измеряют температуру газов за турбиной газогенератора t*, абсолютное давление воздуха за компрессором Р*, атмосферное давление Р, и определяют исходные значения t, Р на контролируемом режиме при принятых атмосферных условиях.
1
2
3
к
гг
т
Коэффициенты К, K, К представляют собой коэффициенты приведения параметров Р*, n, t* соответственно к принятым атмосферным условиям при определении исходных значений параметров с учетом программ управления ГТД, предназначенных для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик ГТД.
гг исх
т исх
к исх
Величины параметров n, t и Рзаносят в формуляр указанного ГТД.
гг
т
к
вх
н
гг
к реж
т реж
к исх
т исх
к
к реж
к исх
т
т реж
т исх
1
2
к
1
т
2
к
1
т
2
тек
тек
тек
тек
тек
тек
тек
Далее в процессе эксплуатации ежедневно на эксплуатационном режиме работы газотурбинной установки осуществляют измерение текущих значений параметров n , t* , Р* , t* , Р  на основе первой и второй функциональных зависимостей, с учетом величины Δn, вычисляют Р  и t , и также ежедневно осуществляют сравнение этих параметров с Ри t, с получением величин ΔР=Р-Ри Δt=t-t, которые в свою очередь сравнивают с заранее заданными величинами Δ и Δ. При этом в случае, если ΔР≥Δ и Δt≤Δ продолжают эксплуатацию указанной ГТУ без ограничений, а если ΔР<Δ или Δt>Δ, то проводят визуально-оптический контроль компрессора на предмет наличия повреждений и при отсутствии последних выполняют промывку газовоздушного тракта ГТУ.
В отличие от прототипа мониторинг параметров ГТУ осуществляют в процессе штатной эксплуатации, т.е. без специальных остановов и/или выходов на заранее заданный контрольно-проверочный режим, т.е. без осуществления специальных действий, что приводит к существенному снижению затрат.
к
т
Применение в качестве диагностических признаков загрязнения газовоздушного тракта параметров Р* и t* как наиболее точно отражающих ухудшение характеристик компрессора позволяет повысить точность контроля степени загрязнения в процессе эксплуатации по заявляемому способу.
Ежедневная периодичность контроля в максимальной степени способствует достоверности в определении необходимости очистки газовоздушного тракта и исключает запоздалую или преждевременную очистку.
Способ осуществляют следующим образом.
1. Предварительно на этапе проектирования ГТУ формируют эксплуатационную математическую модель работы ГТУ, включающую первую функциональную зависимость в виде:
к реж
к
н
1
рк
гг
Р=f(Р*, Р, К, К, Δn),
и вторую функциональную зависимость в виде:
т реж
т
3
тт
гг
t=f(t*, К, К, Δn).
гг
т
к
вх
н
гг исх
т исх
к исх
гг исх
т исх
к исх
2. В процессе заводских сдаточных испытаний ГТУ, т.е. перед началом эксплуатации, на контрольных режимах работы ГТУ наряду с другими параметрами, в частности n, измеряют температуру газов за турбиной газогенератора t*, абсолютное давление воздуха за компрессором Р*, температуру воздуха на входе в ГТД t* и атмосферное давление Р, затем определяют исходные значения n, t, Р на контролируемом режиме при принятых атмосферных условиях. Величины параметров n, t, Р заносят в формуляр указанного ГТД.
гг
т
к
вх
н
гг
к реж
т реж
тек
тек
тек
тек
тек
тек
тек
3. Далее в процессе эксплуатации ежедневно с помощью штатной системы автоматического управления на эксплуатационном режиме работы указанного двигателя осуществляют измерение текущих значений параметров n , t* , Р* , t* , Р  на основе первой и второй функциональных зависимостей с учетом величины Δn и вычисляют Р  и t .
к реж
т реж
к исх
т исх
к
т
1
2
1
2
тек
тек
4. Ежедневно осуществляют сравнение величин Р  и t  с Ри t соответственно с получением величин ΔР и Δt. Осуществляют сравнение указанных величин с заранее заданными величинами Δ и Δ. Величины Δ и Δ выбраны из условия обеспечения требуемого уровня мощности ГГУ не ниже заданного предела по нормативной или эксплуатационно-технической документации.
к
1
т
2
к
1
т
2
5. В случае, если ΔР≥Δ и Δt≤Δ продолжают эксплуатацию указанной ГТУ без ограничений, а если ΔР<Δ или Δt>Δ, то проводят визуально-оптический контроль компрессора на предмет наличия повреждений (например, лопаток компрессора), которые могут стать причиной ухудшения параметров ГТУ и снижения ее мощности.
6. При отсутствии дефектов по результатам осмотра выполняют очистку газовоздушного тракта ГТУ любым известным способом.
к
т
к
1
т
2
После очистки производят повторное определение величин ΔР и Δt и при выполнении условий ΔР≥Δ и Δt≤Δ продолжают эксплуатацию указанного двигателя ГТУ.
Заявляемое техническое решение реализовано и опробовано эксплуатационными испытаниями в составе газотурбинной установки мощностью 16 МВт типа ГТУ-16П разработки ОАО «Авиадвигатель» (Россия), используемой в качестве привода нагнетателя природного газа магистральных газопроводов. Результаты испытаний и последующая эксплуатация в составе газоперекачивающих агрегатов в системе ОАО «Газпром» полностью подтвердили эффективность изобретения и своевременную диагностику ухудшения параметров ГТУ из-за загрязнения газовоздушного тракта.