8.4. Неисправности камеры сгорания

Наиболее часто встречающийся дефект – нарушение равномерности температурного поля по окружности и по радиусу кольцевого входа в СА, а также повышенное содержание М9_Г и СО в продуктах сгорания.

Неравномерность поля ограничивает возможности нагружения, вызывает динамические напряжения в РЛ, коробление статорных деталей турбины, может вызвать перегревы и прогары тонкостенных деталей. Диагностируется с помощью термопар, установленных непосредственно за последней ступенью турбины до поворота потока. Иногда термопары ставятся и перед свободной турбиной. Число термопар обычно соответствует числу горелочных устройств. Возможен контроль неравномерности и по замеру температурного поля перед свободной турбиной.

Распространенным дефектом является коксование горелочных устройств вследствие несовершенной их конструкции или попадания частиц масла и тяжелых углеводородов в топливный тракт. Это приводит к сильному искривлению температурного поля за КС.

Часто встречающимися дефектами являются также перегревы, пережоги и прогары жаровых труб (или элементов общей кольцевой КС) и последующих участков газоподводящего тракта. Причина здесь - неравномерность факела, часто связанная с коксованием или засорением горелок. Факел постоянно пульсирует, но при недоведенности камеры сгорания или при существенном изменении состава топливного газа возможно появление вибрационного горения. При повышенной пульсации факела нередко появление на стенках жаровых труб термоусталостных трещин, которые обычно начинаются от сварных швов.

В стыке жаровой трубы с последующим патрубком могут возникать износ и наклеп, вызванные пульсацией факела.

Высокотемпературные ГТУ имеют на внутренней поверхности жаровых труб термобарьерное покрытие, которое может разрушаться или отслаиваться.

Нагарообразование на стенках КС вызывает в них температурные напряжения, так как снаружи жаровая труба охлаждается. Эндоскопирование встроенных КС обычно производится через отверстия для установки горелок.

Эндоскопы, используемые для осмотра стенок изнутри жаровой трубы, обычно имеют источник света и оптическую систему, увеличивающую изображение дефекта. Диагностическая система должна сравнивать новое изображение с предыдущим.

Для выравнивания по окружности температурного поля в многогорелочных КС используют калиброванные шайбы различного диаметра, устанавливаемые на газоподводящих патрубках.

Уменьшение токсичных выбросов КС достигается усовершенствованием ее конструкции.

8.5. Диагностика технического состояния гту по термодинамическим параметрам

Диагностика по термогазодинамическим параметрам используется для решения следующих основных задач, возникающих при эксплуатации ГПА:

• оценка технического состояния узлов ГТУ, ГТУ в целом, а также центробежного нагнетателя (ЦБН);

• прогнозирование технического состояния ГПА в течение последующего межремонтного периода;

• технико-экономическое основание необходимости замены отдельных агрегатов ГПА или полной реконструкции ГПА.

Современное состояние измерительной техники и систем обработки информации позволяет в автоматизированном режиме измерить все необходимые для полной диагностики термодинамические параметры: давление (Р) и температуру (Т) рабочего тела в сечениях при входе и выходе регенератора; компрессоров, камер сгорания и теплообменников, расход топливного газа G_Т; расход охлаждающего воздуха G_охл; частоты вращения роторов турбокомпрессора (n₁) и блока «силовая турбина-нагнетатель» (n₂).

Методики термогазодинамической диагностики ГТУ на компрессорных станциях дают ответ на вопрос о техническом состоянии установки в целом, не диагностируя состояния отдельных узлов, что затрудняет принятие обоснованных решений по обслуживанию, ремонту или замене турбомашин, камер сгорания и теплообменных аппаратов. Более обоснованный, с технической и экономической точек зрения, подход к термодинамической диагностике связан с установлением технического состояния не только ГТУ в целом, но состояний отдельных агрегатов.

Для осевого компрессора измеряемыми величинами являются:

• температура, давление и влажность воздуха, забираемого из окружающей среды – Т_а, К; Р_а, МПа;

• давление воздуха при входе в лопаточный аппарат Р₁;

• расход воздуха через ОК – G_в, кг/с;

• температура и давление воздуха при выходе из ОК – Т₂, К; Р₂, МПа;

• частота вращения ротора компрессора n₁, об/мин.

Одним из известных способов определения расхода G_в является использование обобщенной для данного ВУ тарировочной зависимости

Для оценки технического состояния ОК используются его паспортные характеристики, полученные на стенде завода-изготовителя, приведенная к стандартным условиям окружающей среды Р_а=Р_а0, Т_а=Т_а0. Эти характеристики могут быть уточнены путем специальных измерений на КС в начале эксплуатации ГТУ и служат эталоном сравнения при диагностике.

Паспортные характеристики ОК представляются в графической форме и апроксимируются для расчета зависимостями.

, (8.4)

, (8.5)

где – адиабатный КПД ОК по параметрам торможения; _ко – степень сжатия в ОК

;

с – скорость в абсолютном движении; С_р – изобарная теплоемкость; к – показатель адиабаты;

; ;

Приведенный расход рабочего тела в ОК

(8.6)

Приведенная частота вращения ротора

(8.7)

В качестве характерных G_в и n₁ могут приниматься величины текущего режима или осредненные по мощности N_кi, затрачиваемой на привод

компрессора на различных режимах (i = 1,2,…n)

(8.8)

(8.9)

(8.10)

(8.11)

где – относительное время работы ОК на характерном режиме.

По измеренным или определенным результатам величинам G_в; Р₂^*; Т₂^* вычисляются:

степень сжатия в ОК

,

адиабатическая работа сжатия

, кДж/кг (8.12)

действительная работа сжатия в ОК

, кДж/кг (8.13)

КПД ОК по параметрам торможения

, (8.14)

Паспортные значения и определяются по соотношениям (8.4), (8.5) при фактических режимных условиях (8.8) и (8.9) по приведенным по формулам (8.6) и (8.7) расходу G_про и частоте вращения n_1про .

Полные давления и температура за компрессором при исходном паспортном техническом состоянии ОК и вычисляются по найденным и :

, (8.15)

. (8.16)

Для характеристики технического состояния ОК по найденным параметрам вводим диагностические коэффициенты по КПД и степени сжатия

и (8.17)

. (8.18)

Вместо коэффициента может использоваться коэффициент технического состояния ОК по изменению политропного КПД:

(8.19)

где политропный КПД компрессора с ВУ

,

n – показатель адиабаты

; (8.20)

Оценка технического состояния камеры сгорания при полной диагностике может быть проведена по параметрам гидравлических потерь и полноты сгорания топлива.

Коэффициент технического состояния КГ по гидравлическим потерям определяется соотношениями:

(8.21)

где  – паспортный коэффициент потерь в КГ, найденный в изотермических условиях.

Фактически коэффициент потерь давления в КГ, приведенный к изотермическим условиям:

(8.22)

где    – фактический, измеренный или найденный расчетом по измеренным параметрам, коэффициент давления в КГ в эксплутационных условиях; – показатель адиабаты; ₂ – приведенная скорость при входе в КГ

где – площадь сечения воздушного тракта перед КГ; –  опытная константа, характеризующая геометрическую форму КГ ( ).

Коэффициент технического состояния КГ по полноте сгорания топлива характеризуется величиной:

(8.23)

где _Г – коэффициент полноты сгорания топлива в эксплутационных условиях

   (8.24)

где L₀ – стехеометрическое количество воздуха в КС; – коэффициент избытка воздуха в КС; – расход топлива в КГ; – низшая теплотворная способность топлива;

энтальпия чистых продуктов сгорания

;

энтальпия воздуха

и ;

энтальпия топливного газа, подаваемого в КС

;

Паспортные значения коэффициента полноты сгорания топлива определяется по зависимости, аппроксимирующей паспортную характеристику КГ:

(8.25)

При частичной диагностике из-за технических сложностей не измеряются температура и давление газа при входе из КГ и . В этом случае по измеренным , , , найденным , , , , , , , , и оцениваемым коэффициента технического состояния и последовательно вычисляются:

• коэффициент полноты сгорания топлива в КГ;

• температура газа перед ТВД

(8.26)

• коэффициент потерь давления и коэффициент давления в камере сгорания:

;

• давление газа перед ТВД:

.

Современный и перспективный уровень развития измерительных систем позволяет измерить температуру газа в различных сечениях по окружности при входе в сопловой аппарат (СА) турбины высокого давления. Неравномерность поля температур за КГ, перед СА, характеризуется коэффициентом

(8.27)

где , , – максимальная, минимальная и средняя температуры в сечении перед СА.

В стендовых условиях или на начальном этапе эксплуатации, по результатам измерений, вычисляется паспортная неравномерность поля температур . Коэффициент технического состояния КГ по неравномерности температуры на выходе из КГ определяется соотношением

(8.28)

Для полной термодинамической диагностики технического состояния турбины высокого давления (ТВД) измеренными или вычисленными по результатам измерений являются:

• давление и температура при выходе из ТВД: , , , ;

• расход воздуха при входе в ОК и топлива ;

• расход охлаждающего воздуха ;

• расход газа, относимый на утечки;

• частота вращения ротора турбокомпрессора ;

• механический КПД.

Теплодинамические характеристики рабочего тела , , принимаются по справочным данным. Фактические параметры ТВД вычисляются по следующим зависимостям:

степень расширения газа в турбине

(8.29)

располагаемый теплоотвод в турбине

, кДж/кг (8.30)

удельная работа газа в ТВД

, кДж/кг (8.31)

КПД турбины по параметрам торможения

, кДж/кг (8.32)

эффективный расход газа через ТВД

, кг/с (8.33)

мощность ТВД

, кВт (8.34)

Для контроля найденных параметров используется уравнение баланса мощности на валу турбокомпрессора:

, или

(8.35)

где нижний индекс относится к параметрам ОК, а индекс относится к параметрам ТВД.

При отличии левой и правой частей, одна из величин ( , , и др.) вычисляемая с наибольшей погрешностью, может уточняться из этого уравнения.

В геометрически подобных турбомашинах подобие режимов определяется равенством пяти параметров: чисел Прандтля (Pr), Рейнольдса (Re) и Маха (M), а также показателя адиабаты и степенью изменения давления . При постоянстве или несущественном влиянии Pr, Re, и , КПД и удельная работа зависит от двух параметров, и или и .

Для определения технического состояния ТВД необходимо воспользоваться паспортной характеристикой этой турбины, например, в виде

(8.36)

(8.37)

(8.38)

Коэффициенты технического состояния ТВД по КПД и мощности, с учетом величин, определенным по соотношениям (8.29)(8.34) и (8.36)(8.38):

(8.39)

(8.40)

Для диагностики технического состояния ТНД измеряются давление и температура перед ТНД и за ТНД, , , , , n₂ используются найденные ранее , считаются известными , , , , , . Фактические параметры при режимных параметрах

и (8.41)

, (8.42)

где располагаемый теплоотвод в турбине

, кДж/кг (8.43)

удельная работа газа в ТНД

, кДж/кг (8.44)

КПД ТНД по параметрам торможения

, кДж/кг (8.45)

мощность ТНД, равная полезной мощности ГТУ,

, кВт (8.46)

Вычисленное значение мощности сравнивается с мощностью , затрачиваемой на привод ЦБН:

(8.47)

Определение приведено ниже.

В случае существенного различия N_ТНД вычисленной по формулам (8.46) и (8.47) уточняется через компрессор:

(8.48)

и все расчеты уточняются к новым уточненным расходом, начиная с п.1.

Паспортные параметры ТНД η_ТНД0, l_ТНД0, N_ТНД0 вычисляются по характеристикам ТНД, аналогичные по форме (5.36)(5.38), а коэффициенты технического состояния ТНД по формулам аналогичным (5.39), (5.40)

(8.49)

(8.50)

Для определения технического состояния центробежного нагнетателя природного газа использует коэффициенты

(8.51)

(8.52)

где паспортные приведенные характеристики представляют в виде

(8.53)

(8.54)

(8.55)

(8.56)

В качестве параметров приведения принимают, например, Z_пр = 0,91; R_пр = 500 Дж/кг^оК. Фактические параметры ЦБН определяются по измеренным Р_1Г, Т_1Г, Р_2Г, Т_2Г давлениями и температурами до и после ЦБН, а также при измеренном массовом расходе природного газа через ЦБН – G_Г :

степень сжатия в ЦБН

(8.57)

политропный КПД ЦБН

(8.58)

мощность, затрачиваемая на привод ЦБН

(5.59)

где – удельная работа сжатия в ЦБН равная изменению полной энтальпии

G_Г=Q_Гρ_Г.

Коэффициенты технического состояния ЦБН вычисляют с использованием фактических и паспортных данных по формулам (8.48) и (8.49).

Для ГТУ рассмотренной схемы паспортные КПД и мощность определяются однопараметрической зависимостью от расхода топлива G_т:

(8.60)

(8.61)

Фактическая мощность N_е и КПД ГТУ η_е определяются по формулам

(8.62)

(8.63)

Коэффициент технического состояния ГТУ на режиме, характеризуемом подачей топлива G_т:

где η_е, η_ео, N_е, N_ео находятся по соотношениям (8.60)(8.63).

Техническое состояние ГТУ характеризуется найденными коэффициентами К_ηгту=К_Nгту. Техническое состояние осевого компрессора коэффициентами К_ηк (или К_ηполк) и К_Пк, камеры сгорания – коэффициентами К_ξ, К_η, К_δ, турбины – коэффициентами К_ηтвд, К_Nтвд, К_ηтнд и К_Nтвд, и нагнетатели характеризуются коэффициентами К_ηн, К_Пн. Таким образом, рассмотренная методика термогазодинамической диагностики позволяет оценивать техническое состояние не только ГТУ в целом, но и отдельных агрегатов ГТУ.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные показатели надежности для ГТУ.

2. Охарактеризуйте основные виды технических состояний.

3. Каковы основные неисправности компрессора, камеры сгорания, турбины?

4. Перечислите измеряемые параметры ОК при диагностике по термодинамическим параметрам.