Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

330 / ЗаданКурсЖурналПолныйМПУСУ / 3РегулирГазоперекачАгрег

.pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
746.37 Кб
Скачать

РАЗРАБОТКИ НЕФТЕГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Регулирование ГПА: возникающие проблемы и пути их решения

Ярослав Евдокимов

В статье рассмотрены проблемы, возникающие при создании систем регулирования для газоперекачивающих агрегатов, и как вариант решения представлен блок регулирования газоперекачивающего агрегата типа ГТК#10#4, разработанный НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА».

 

ВВЕДЕНИЕ

 

могут продемонстрировать полноцен

ля, недопустимы осреднение и фильт

 

Газоперекачивающие

агрегаты

ное решение задач автоматизации

рация сигнала в течение нескольких

 

(ГПА) – сложные технические объек

ГПА, включая антипомпажное и топ

секунд. Кроме того, уровень сигнала

 

ты, от работы которых зависит безо

ливное регулирование.

от индукционного датчика зависит от

 

пасность и экономическая эффектив

Рассмотрим подробнее некоторые

частоты вращения: на малых частотах

 

ность транспортировки

природного

проблемы, возникающие при создании

сигнал слабый и легко зашумляется.

 

газа по магистральным газопроводам.

систем регулирования для ГПА, реше

Ещё одна проблема – неточность

 

Управление такими объектами невоз

ния которых воплощены в ряде разрабо

формы зубьев измерительного колеса,

 

можно без средств автоматизации,

ток НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА».

что приводит к неравномерности пе

 

исключающих человеческий фактор и

 

риода импульсов и возможным про

 

обеспечивающих быструю и правиль

ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

пускам отдельных импульсов. Таким

 

ную реакцию на внешние воздейст

ВРАЩЕНИЯ ТУРБИН

образом, «простая» задача измерения

 

вия.

 

Основа любого регулирования – из

скорости вращения по частоте им

 

Важной частью автоматики ГПА яв

мерение регулируемой величины. От

пульсов от датчика превращается в

 

ляются средства регулирования. На

точности и быстродействия измери

достаточно сложную проблему, реше

 

ГПА с газотурбинным приводом сред

тельного канала во многом зависит ка

ние которой требует создания специ

 

ства регулирования выполняют следу

чество регулирования. Например, не

альных аппаратных и программных

 

ющие функции:

 

возможно обеспечить точность стаби

средств.

 

стабилизацию и изменение по ко

лизации частоты вращения турбины

Первая часть канала измерения час

 

мандам оператора частоты вращения

±5 об/мин, если измерительный канал

тоты вращения – усилитель формиро

 

силовой турбины (турбины нагнета

имеет погрешность ±10 об/мин.

ватель, обеспечивающий преобразова

 

теля) путём управления топливным

Основными величинами для топ

ние сигнала от индукционного датчика

 

регулирующим клапаном (так назы

ливного регулятора являются частоты

в чёткие прямоугольные импульсы за

 

ваемое топливное регулирование);

вращения силовой турбины и турби

данной амплитуды. Как уже отмеча

 

обеспечение работы центробежного

ны газогенератора. Для их измерения

лось, основная проблема тут – зависи

 

нагнетателя в безопасной зоне по

применяются индукционные датчи

мость уровня сигнала от частоты вра

 

расходу и степени сжатия (антипом

ки, формирующие импульсы при про

щения, а также наложение всевозмож

 

пажное регулирование) путём управ

хождении зубьев измерительного ко

ных помех, прежде всего высокочас

 

ления байпасным клапаном;

леса мимо датчика. Частота импуль

тотных. В усилителе формирователе,

 

стабилизацию и изменение по ко

сов пропорциональна скорости вра

разработанном НПК «ЛЕНПРОМАВ

 

мандам оператора давления на выхо

щения, и для измерения достаточно

ТОМАТИКА», применяется схема ав

 

де нагнетателя или расхода техноло

определить эту частоту. Но надо заме

томатической регулировки усиления

 

гического газа через нагнетатель пу

тить, что требования к точности изме

(АРУ), обеспечивающая оптимальное

 

тём формирования задания на под

рений весьма высоки: частоту враще

соотношение сигнал/шум на различ

 

систему топливного регулирования.

ния от единиц до нескольких тысяч

ных частотах вращения и выгодно от

 

Выполнение каждой из этих функ

оборотов в минуту нужно измерять с

личающаяся от пассивных частотно

 

ций требует решения комплекса задач.

погрешностью не более 2 3 об/мин.

зависимых схем, используемых в неко

80

Сложность объекта управления приво

При этом скорость измерений должна

торых аналогах. Пассивные схемы тре

дит к тому, что только немногие фирмы

быть сравнима с динамикой двигате

буют гораздо более тонкой и длитель

www.cta.ru

© 2009, CTA Тел.: (495) 234-0635

Факс: (495) 232-1653 http://www.cta.ru

СТА 2/2009

 

 

Р А З Р А Б О Т К И / Н Е Ф Т Е Г А З О В А Я П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О С Т Ь

ной настройки по сравнению с АРУ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

что замедляет пусконаладку и может

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приводить к ложным остановам агрега

 

 

 

 

 

 

 

 

 

та из за неправильного измерения час

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Импульсы от усилителя формирова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теля поступают на модуль частотомера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

периодомера. Использование комби

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нированного алгоритма замера часто

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ты или периода импульсов позволяет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

обеспечить точность измерений как на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

низких, так и на высоких частотах и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при этом проводить измерение за один

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оборот рабочего колеса, чтобы исклю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чить погрешность («плавание» часто

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ты), вызванную отклонениями формы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зубьев колеса. В качестве частотомера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

периодомера

используется

модуль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UNIO96 компании FASTWEL со спе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

циальным вариантом прошивки. Уп

Газоперекачивающие агрегаты ГТК 10 4 на компрессорной станции в Тюменской

 

 

равление режимами его работы, часто

 

 

той заполнения и другими параметра

области

 

 

 

 

 

 

 

 

ми выполняется программно от цент

димо изменять подачу топлива (поло

Назначение ГПА – повышение дав

 

рального

процессора

FASTWEL

жение топливного клапана) при приб

ления газа при его транспортировке

 

CPU686E.

Фактически

достигается

лижении к границам регулирования.

по газопроводу. Требуемая для этого

 

точность измерений на рабочих режи

Таким образом, задача топливного ре

мощность зависит от сезонного ре

 

мах 1 об/мин, при этом нижний порог

гулирования не сводится к одному

жима работы газопровода, возмож

 

чувствительности составляет

около

лишь замыканию обратной связи по

ных возмущений из за пусков и оста

 

3 5 об/мин.

 

 

 

 

частоте вращения силовой турбины, а

новок других агрегатов и прочих

 

 

 

 

 

 

требует формирования управляющих

факторов. Чем больше диапазон рас

 

ОБЪЕДИНЕНИЕ

 

 

воздействий по различным парамет

полагаемой мощности каждого ГПА,

 

УПРАВЛЯЮЩИХ

 

 

рам двигателя и объединения этих

тем меньше требуется пусков и оста

 

И ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫХ

 

воздействий на один регулирующий

новок для регулирования суммарной

 

ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ТОПЛИВНЫЙ

клапан.

 

 

 

 

мощности. Каждый пуск приводит к

 

КЛАПАН В РАЗЛИЧНЫХ

 

Основным

предметом

разработки

повышенному расходованию ресурса

 

РЕЖИМАХ РАБОТЫ ГПА

 

при создании систем топливного регу

ГПА; таким образом,

уменьшение

 

Основная задача топливного регу

лирования является именно

способ

количества пусков увеличивает меж

 

лирования

управлять

топливным

объединения

управляющих

воздей

ремонтные интервалы и снижает зат

 

клапаном таким образом, чтобы обес

ствий по различным параметрам двига

раты на ремонты.

 

 

 

печить заданную частоту вращения

теля на регулирующий клапан. В нас

2. Приведение ошибок регулирования по

 

силовой турбины привода ГПА. В то

тоящее время известны несколько ва

всем рабочим и ограничиваемым па

 

же время изменение подачи топлива в

риантов решения этой задачи.

 

раметрам к одному диапазону (услов

 

камеру сгорания приводит к тому, что

1. Остановка перемещения

регулирую

ным единицам), выбор ошибки регу

 

одновременно изменяются и другие

щего клапана при приближении како

лирования с максимальным абсолют

 

параметры газотурбинного двигателя:

го либо параметра к ограничительной

ным значением и подача этой ошибки

 

частота вращения турбины газогене

уставке. Например, если регулятор

на вход регулятора. В качестве регу

 

ратора, давление за компрессором,

частоты вращения увеличивает сте

лятора здесь, как и в других схемах,

 

температура продуктов сгорания [1].

пень открытия клапана, а при этом

выступает хорошо известный в тео

 

При работе двигателя значения этих

температура

продуктов

сгорания

рии автоматического

управления

 

параметров должны оставаться в до

приблизилась к ограничению, поло

ПИД регулятор. Выход регулятора

 

пустимых пределах. Температура про

жение клапана

фиксируется, пока

подаётся на регулирующий клапан.

 

дуктов сгорания и давление за комп

температура

не

уменьшится. Этот

Недостатком этого способа является

 

рессором должны быть

ограничены

способ имеет следующий недоста

сложность настройки приведения к

 

сверху, а частота вращения турбины

ток: за счёт инерционности объекта

одному диапазону значений пара

 

газогенератора – сверху и снизу. Ог

может произойти выход за ограничи

метров, имеющих совершенно раз

 

раничение сверху обусловлено проч

тельное значение. В результате для

личный физический смысл. Также

 

ностью конструкции, а снизу – устой

безопасного

регулирования

прихо

важно, что различие динамики объ

 

чивостью работы компрессора и не

дится искусственно уменьшать ус

екта по разным параметрам приво

 

допущением длительной работы в зо

тавки, что снижает диапазон мощ

дит к неоптимальности работы регу

 

не резонансных колебаний ротора.

ности двигателя и приводит к сниже

лятора, настроенного на один из па

 

Для ограничения допустимых зна

нию экономической эффективности

раметров, при работе по другому па

81

чений параметров двигателя необхо

работы ГПА.

 

 

 

раметру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТА 2/2009

© 2009, CTA Тел.: (495) 234-0635

Факс: (495) 232-1653 http://www.cta.ru

www.cta.ru

 

 

Р А З Р А Б О Т К И / Н Е Ф Т Е Г А З О В А Я П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О С Т Ь

Из теории управления известно, что

работанные решения, так или иначе

ния по этому параметру. Следовательно,

коэффициенты усиления регулятора

решающие эти проблемы. В процес

безопасность работы ГПА нарушается,

должны быть связаны со свойствами

се разработки специалистам

НПК

а значит, должен быть выполнен ава

объекта управления, прежде всего – с

«ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА»

уда

рийный останов для перевода оборудо

инерционностью этого объекта. При

лось создать решение, не имеющее

вания в безопасное состояние. С другой

регулировании нескольких парамет

прямых аналогов; в настоящее время

стороны, в некоторых случаях парамет

ров двигателя, по сути, происходит

оно находится в стадии патентова

ры ГПА частично дублируют друг друга;

переключение

между

различными

ния. Работоспособность этого реше

например, давление за компрессором

объектами; например,

температура

ния подтверждена эксплуатацией ре

двигателя пропорционально частоте

продуктов сгорания изменяется на

гулятора на ГПА типа ГТК 10 4 и ус

вращения турбины газогенератора. По

много быстрее, чем частота вращения

пешным прохождением межведом

этому аварийная защита и ограничение

турбины. Поэтому такое регулирова

ственных испытаний.

 

режима работы двигателя могут выпол

ние не может быть выполнено одним

 

 

няться по оставшимся исправным кана

регулятором одинаково эффективно

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ

лам. Получается, что работа двигателя с

по различным параметрам.

РАБОТЫ ПРИ ОТКАЗЕ ДАТЧИКОВ

частью отказавших датчиков в некото

3. Подача ошибок регулирования по раз

Газоперекачивающий агрегат являет

рых случаях допустима, при этом ре

личным параметрам двигателя на от

ся объектом повышенной опасности,

монт измерительного канала может

дельные регуляторы и выбор мини

поэтому он имеет развитую датчиковую

быть выполнен «на ходу», а отклонения

мального (при ограничении сверху) и

обвязку, обеспечивающую работу систе

от заданного режима работы газопрово

максимального

(при

ограничении

мы аварийных защит и ограничитель

да не произойдёт.

снизу) выхода регулятора для подачи

ных регуляторов. Как всякое оборудо

По многолетнему опыту известно,

на регулирующий клапан. Такая схема

вание, датчики имеют конечную надёж

что основную часть отказов измери

наиболее часто применяется в насто

ность, и при работе возможны их отка

тельных каналов составляют обрывы

ящее время. Тем не менее её практи

зы. При этом предъявляются противо

жил в кабелях, отсутствие контакта в

ческая реализация связана с опреде

речивые требования к реакции автома

клеммниках и другие подобные причи

лёнными проблемами (как говорит

тики на такие отказы. С одной стороны,

ны, легко устраняемые при своевре

ся, «дьявол спрятан в мелочах»), по

отказ датчика какого то параметра оз

менном обнаружении. Отказы датчи

этому каждая фирма имеет свои на

начает отсутствие защиты и ограниче

ков и измерительных преобразовате

 

 

ПОМПАЖ И АНТИПОМПАЖНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

 

 

На рис. 1 показан типичный вид газоди

никают низкочастотные колебания расхода

пасного клапана, перепускающего часть га

 

намических характеристик (ГДХ) центро

и давления, называемые помпажом.

за с выхода нагнетателя на его вход. На воз

 

бежного нагнетателя [3]. Каждая кривая от

Линия, соединяющая точки срыва потока

душных компрессорах, берущих воздух из

 

ражает связь между степенью сжатия наг

при различной скорости вращения ротора

атмосферы, такой же эффект даёт сброс

 

нетателя и расходом газа через него (про

нагнетателя, называется границей помпажа

части воздуха в атмосферу с выхода ком

 

изводительностью) при постоянной частоте

(красная линия на графике). Помпаж соп

прессора. На рис. 2 видно, что открытие

 

вращения ротора.

ровождается несколькими явлениями, де

байпасного клапана уменьшает нагрузку на

 

Центробежный нагнетатель имеет огра

лающими работу нагнетателя неэффектив

нагнетатель, закрытие увеличивает. Рабо

 

ниченный

диапазон производительности.

ной и опасной.

чая точка перемещается вправо (в сторону

 

Если поток газа через нагнетатель меньше

Сначала происходит существенное повы

увеличения расхода) при открытии клапа

 

определённой величины, то вращающиеся

шение нагрузки на приводной двигатель

на, влево при закрытии. Таким образом

 

лопасти рабочего колеса не могут «захва

(за счёт повышения степени сжатия), а

можно обеспечить устойчивую работу на

 

тить» газ и устойчивая работа нагнетателя

затем срыв нагрузки (при падении расхо

гнетателя при неблагоприятной характе

 

нарушается. Вследствие срыва потока в сис

да) и резкая разгрузка привода. На газо

ристике нагрузки.

 

 

теме «нагнетатель + трубная обвязка» воз

турбинных агрегатах это приводит к

 

 

 

 

 

быстрому росту частоты вращения: рост

Степень

 

 

Степень

 

скорости около 1000 (об/мин)/с. На

сжатия

 

 

 

 

 

 

сжатия

Граница помпажа

электроприводных ГПА предпомпажное

 

 

 

 

Граница

 

 

 

 

состояние сопровождается существен

Открытие

 

 

 

помпажа

 

 

 

 

байпасного клапана

 

 

 

ным ростом тока статора двигателя.

 

 

 

 

 

уменьшает нагрузку

 

 

 

Резкие колебания расхода и давления

 

на нагнетатель

 

 

 

 

и смещает рабочую

 

 

 

 

 

 

 

 

приводят к вибрациям ротора, что повы

 

точку в сторону

 

 

 

шает нагрузку на подшипники и лаби

 

увеличения расхода

 

 

 

 

 

 

 

 

ринтные уплотнения вплоть до возмож

 

 

 

 

 

ности их разрушения.

Увеличение

 

 

 

Увеличение

Нерасчётный режим обтекания лопаток наг

 

 

 

скорости

скорости

 

 

 

 

 

 

 

вращения

нетателя приводит к переходу большого ко

вращения

 

 

 

 

личества энергии в тепло и перегреву газа.

 

Расход газа

 

 

Расход газа

Для того чтобы избежать помпажных яв

 

через нагнетатель

 

 

через нагнетатель

 

 

 

 

лений, нагрузкой на нагнетатель можно уп

Рис. 2. ГДХ центробежного нагнетателя при

82

 

 

Рис. 1. ГДХ центробежного нагнетателя

равлять при помощи регулируемого бай

управлении байпасным клапаном

www.cta.ru

© 2009, CTA Тел.: (495) 234-0635

Факс: (495) 232-1653 http://www.cta.ru

СТА 2/2009

 

 

Р А З Р А Б О Т К И / Н Е Ф Т Е Г А З О В А Я П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О С Т Ь

лей происходят реже, причём они тоже могут быть быстро устранены просты ми мероприятиями при наличии необ ходимых запчастей. Отказы же сиг нальных и процессорных модулей контроллеров являются чрезвычайно редкими событиями. Таким образом, большинство отказов измерительных каналов может быть устранено силами персонала компрессорной станции без остановки ГПА и без нарушения режи ма транспортировки газа.

При разработке системы топливного регулирования необходимо ранжиро вать отказы измерительных каналов по важности и предусматривать различ ную реакцию на отказы: при некото рых отказах выполнять аварийный ос танов, а при части отказов – отключать соответствующие аварийные защиты и контуры регулирования и снова вклю чать их после ремонта канала. Разуме ется, такие отключения и включения должны выполняться безударно, без изменения положения регулирующего клапана.

В регуляторе разработки НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА» предус мотрена реакция «аварийный останов» на отказ каналов измерения температу ры продуктов сгорания как наиболее

ответственных каналов. Отказ всех ос тальных каналов измерения не приво дит к останову и изменению режима работы ГПА. Например, при отказе ка нала измерения частоты вращения си ловой турбины происходит переход на регулирование по частоте вращения турбины газогенератора, при отказе всех датчиков частоты вращения – на регулирование по температуре продук тов сгорания и т.д. Предусмотрена так же возможность ручного дистанцион ного управления регулирующим кла паном, в том числе и на работающем агрегате. При таком режиме выполня ются аварийная защита и ограничение режима по тем параметрам, каналы из мерения которых исправны.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ

ПОМПАЖА НАГНЕТАТЕЛЯ

И УЧЁТ НЕЛИНЕЙНОСТИ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК НАГНЕТАТЕЛЯ

Суть антипомпажного регулирова ния заключается в том, чтобы обеспе чить устойчивую работу центробежно го нагнетателя, управляя для этого байпасным (антипомпажным) клапа ном [2]. Давно известны системы ан типомпажной защиты, полностью от

крывающие клапан при падении рас хода газа через нагнетатель ниже неко торого порога. Свою защитную функ цию они успешно выполняли; тем не менее, в результате сужался диапазон производительности нагнетателей. Де ло в том, что зачастую требуется дли тельная работа вблизи помпажной зо ны (см. врезку «Помпаж и антипом пажное регулирование»). Например, требуемая общая производительность компрессорного цеха такова, что два нагнетателя не могут её обеспечить, а для трёх она слишком мала. В резуль тате три нагнетателя работают в режи ме минимальной производительнос ти. При малейшем возмущении по расходу или давлению газа может ока заться, что режим работы нагнетателя сместится в помпажную зону. Система антипомпажной защиты в этом случае полностью откроет байпас, а когда производительность нагнетателя ста билизируется – снова закроет его. Та кой процесс будет происходить цик лически и непрерывно, «раскачивая» работу газопровода, повышая нагруз ки на трубы и увеличивая расход топ лива ГПА.

Споявлением байпасных клапанов

саналоговым управлением, способ

83

СТА 2/2009

© 2009, CTA Тел.: (495) 234-0635

Факс: (495) 232-1653 http://www.cta.ru

www.cta.ru

 

 

Р А З Р А Б О Т К И / Н Е Ф Т Е Г А З О В А Я П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О С Т Ь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОМПАЖНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ НАГНЕТАТЕЛЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 3 показаны графики аналоговых

(шум), заметная на графике как высоко

жа не реагирует на эту помеху благодаря

 

 

 

параметров, полученные при помпажном

частотные колебания, но детектор помпа

цифровой фильтрации сигнала.

 

 

 

тестировании нагнетателя на одной из

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

компрессорных станций в Западной Си

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перепад давлений на сужающем устройстве

 

 

 

 

 

бири. Параметр «dP на конфузоре», то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нагнетателя, (dP на конфузоре), кПа;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

задание на антипомпажный клапан (АПК),

 

 

 

 

 

есть перепад давлений на сужающем уст

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

% закрытия;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

частота вращения (N) силовой турбины, об/мин;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ройстве (конфузоре) нагнетателя, харак

 

160

 

 

 

 

 

 

 

 

давление на входе нагнетателя (P вх. нагн.), кПа;

 

 

 

 

 

теризует производительность нагнетате

 

 

 

 

 

 

 

 

 

давление на выходе нагнетателя (P вых. нагн.), кПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ля. Видно, что при плавном закрытии ан

 

140

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7000

вых. нагн.

 

 

 

 

на АПК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

типомпажного клапана (АПК) вначале

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6000

 

 

 

 

идёт практически линейное уменьшение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dP на конфузоре, задание

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5000

N силовой турбины, P вх. нагн., P

 

 

 

 

перепада на конфузоре. Затем, в момент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

времени t=965 с, отмечается резкий про

80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4000

 

 

 

 

вал на графике перепада давлений на

60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конфузоре и ускорение силовой турбины.

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2000

 

 

 

 

По этим признакам детектор помпажа в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

составе программного обеспечения блока

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1000

 

 

 

 

регулирования ГПА распознаёт срыв по

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

тока в нагнетателе и открывает АПК. Надо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

922

932

 

942

952

962

972

982

 

 

 

 

 

 

заметить, что на сигнал перепада давле

 

 

 

 

 

Время, с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ний на конфузоре накладывается помеха Рис. 3. Результаты помпажного тестирования нагнетателя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных достаточно точно и быстро от

Для идентификации границы пом

срыва определяют координаты одной

 

 

крываться

на заданную

величину

пажа применяется методика, называе

из точек границы зоны устойчивой ра

 

 

(в России и странах СНГ в основном

мая «помпажным тестированием» (см.

боты нагнетателя. Проведя такое тес

 

 

используются клапаны фирмы Mok

врезку «Помпажное тестирование наг

тирование при нескольких значениях

 

 

veld Valves bv), открылась возможность

нетателя»). Помпажный тест впервые

частоты вращения, получим несколь

 

 

создания систем антипомпажного ре

начала применять фирма Nuovo Pigno

ко точек. Как правило, полученная

 

 

гулирования. Такие системы измеря

ne. Суть тестирования состоит в том,

кривая не точно совпадает с кривой,

 

 

ют расстояние до границы помпажной

что нагнетатель, работающий на бай

построенной при стендовых испыта

 

 

зоны и

рассчитывают необходимую

пас, начинают постепенно «запирать»

ниях

опытного

образца нагнетателя.

 

 

степень

открытия антипомпажного

по выходу, медленно закрывая байпас

Особенно это справедливо в отноше

 

 

клапана. При решении этой, казалось

ный

клапан. Производитель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

бы, простой задачи возникают следу

ность нагнетателя падает, давле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ющие проблемы:

 

ние на выходе растёт, то есть ре

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

газодинамические характеристики

жим приближается к помпажно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ГДХ) нагнетателя имеют достаточ

му. В какой то момент в нагнета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

но сложную форму, граница помпа

теле

происходит срыв потока

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

жа при заводских испытаниях наг

(рассмотрение этого явления вы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нетателей

определяется

неточно,

ходит далеко за рамки данной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

более того, в процессе эксплуатации

статьи),

предшествующий пом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

она смещается из за износа проточ

пажу. Срыв потока распознаётся

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ной части – в силу этих причин воз

по резкому падению производи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

никает необходимость идентифика

тельности нагнетателя и резкому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ции помпажной границы на реаль

падению потребляемой нагнета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ном ГПА, а не на испытательном

телем мощности, а значит, росту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стенде;

 

 

частоты вращения силовой тур

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

наклон ГДХ является переменным,

бины. Разумеется, при этом топ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

участок около помпажной грани

ливный регулятор уменьшает по

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цы – наиболее пологий, в результате

дачу топлива, чтобы не допустить

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

маленькое воздействие на антипом

раскрутки турбины, но всё же

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пажный клапан приводит к большо

можно чётко распознать момент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

му изменению расстояния до грани

срыва. При распознавании этого

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цы помпажа, а при удалении от гра

явления

необходимо

открыть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ницы чувствительность к положе

байпасный клапан, чтобы не до

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нию байпасного клапана снижается;

пустить развития помпажа. Час

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при реализации регулирования нуж

тота вращения силовой турбины,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

84

 

но учитывать эти факторы, коррек

производительность

и

степень

 

Рис. 4. Блок регулирования ГПА разработки и

 

тируя свойства регулятора.

сжатия

нагнетателя

в

момент

 

производства НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

www.cta.ru

© 2009, CTA Тел.: (495) 234-0635

Факс: (495) 232-1653 http://www.cta.ru

СТА 2/2009

 

 

 

 

 

 

 

Р А З Р А Б О Т К И / Н Е Ф Т Е Г А З О В А Я П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О С Т Ь

 

APM оператора САУ ГПА

 

 

ние производной, что исключает лож

 

 

 

ные срабатывания детектора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

БЛОК РЕГУЛИРОВАНИЯ ГПА

 

 

 

 

 

 

Блок регулирования ГПА (БР ГПА)

 

 

Ethernet TCP/IP

 

 

разработки НПК «ЛЕНПРОМАВТО

 

 

RTU

 

Modbus TCP

 

МАТИКА» представляет

собой от

 

 

 

 

 

дельное функционально законченное

 

 

Modbus

 

 

 

Связь с APM оператора САУ ГПА

Связь с APM оператора САУ ГПА

устройство (рис. 4), которое обмени

вается данными с САУ ГПА (поставки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Связь с БР ГПА

 

 

Связь с САУ ГПА

другого

разработчика)

по

каналу

 

 

 

 

 

 

Modbus RTU и по физическим ли

 

Режимы и переходы

линии

 

Антипомпажный регулятор

ниям (рис. 5). Для отображения рабо

 

 

 

 

 

ты системы регулирования и обеспе

 

Управление исполнительными

Физические

 

Топливный регулятор

 

 

чения возможности задания

уставок

 

механизмами

 

 

 

 

 

«Быстрый» архив

 

производится обмен данными с АРМ

 

 

 

оператора ГПА по Ethernet каналу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ввод=вывод

 

 

Ввод=вывод

с использованием протокола Modbus

 

САУ ГПА

Блок регулирования

 

TCP. При согласовании

протоколов

 

 

обмена данными БР ГПА может рабо

 

Физические линии

 

 

 

Физические линии

тать с любым типом современной САУ

 

Датчики и исполнительные механизмы ГПА

 

ГПА. Программное обеспечение БР

 

 

является достаточно гибким и может

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

быть легко адаптировано под различ

Рис. 5. Структура блока регулирования ГПА и его место в системе

 

ные типы ГПА.

 

 

 

 

 

 

 

 

Типичным объектом управления БР

нии нагнетателей с большим сроком

настолько резкого внешнего воздей

является ГПА типа ГТК 10 4 (рис. 6).

эксплуатации, а таких достаточно

ствия, что антипомпажный регулятор

Агрегаты этого типа морально и фи

много.

 

 

не успеет его отработать.

зически устарели, тем не менее, они

Поскольку срыв потока развивается

В системе регулирования разработки

составляют большую часть парка ГПА

весьма быстро, человек не всегда мо

НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА» ре

ОАО «Газпром». Полная замена таких

жет вовремя определить момент срыва.

ализован

алгоритм

распознавания

агрегатов требует чрезвычайно боль

Поэтому

необходима автоматизация

срыва (детектор помпажа), обеспечи

ших вложений и нецелесообразна.

определения помпажной точки. Совре

вающий защиту без помпажных «хлоп

Поэтому повсеместно проводится их

менные быстродействующие контрол

ков». Чувствительность детектора на

модернизация с заменой

проточной

леры, позволяющие реализовать алго

страивается при помощи коэффициен

части турбогруппы, заменой топлив

ритмы цифровой фильтрации сигнала

тов, задаваемых с отладочного экрана

ной аппаратуры, реконструкцией ре

и численного дифференцирования в

автоматизированного

рабочего места

куператоров и камер сгорания и т.д.

реальном времени, дают такую воз

(АРМ) оператора. Настройка чувстви

Важной частью модернизации явля

можность. Автор этой статьи неоднок

тельности и фильтрация зашумленного

ется замена автоматики. В настоящее

ратно проводил помпажные тесты в

сигнала перепада давлений на конфу

время типовым вариантом автомати

«комбинированном» режиме,

когда

зоре обеспечивает адекватное вычисле

ки для этого типа ГПА является ре

для обеспечения безопасности в цепь

 

 

 

 

 

 

 

управления байпасным клапаном была

 

 

 

 

 

 

 

встроена кнопка, обеспечивающая по

 

 

 

 

 

 

 

команде оператора мгновенное откры

 

 

 

 

 

 

 

тие клапана. Интересно, что ни разу

 

 

 

 

 

 

 

тест не был закончен по команде от

 

 

 

 

 

 

 

этой кнопки: анализ графиков анало

 

 

 

 

 

 

 

говых параметров показывал, что ко

 

 

 

 

 

 

 

манда открытия байпаса всегда подава

 

 

 

 

 

 

 

лась системой регулирования раньше,

 

 

 

 

 

 

 

чем оператором. Практика показала,

 

 

 

 

 

 

 

что для безопасного решения этой за

 

 

 

 

 

 

 

дачи просто не хватает скорости реак

 

 

 

 

 

 

 

ции человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

Тот же

алгоритм автоматического

 

 

 

 

 

 

 

распознавания срыва, который ис

 

 

 

 

 

 

 

пользуется для помпажного тестирова

 

 

 

 

 

 

 

ния, применяется и для антипомпаж

 

 

 

 

 

 

 

ной защиты при работе агрегата. Это

 

 

 

 

 

 

85

«последний рубеж» защиты на случай

Рис. 6. Объект внедрения – ГПА типа ГТК 10 4

 

 

 

СТА 2/2009

 

© 2009, CTA

Тел.: (495) 234-0635 Факс: (495) 232-1653 http://www.cta.ru

 

 

www.cta.ru

 

 

 

 

 

Р А З Р А Б О Т К И / Н Е Ф Т Е Г А З О В А Я П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О С Т Ь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

4500

 

частота вращения турбины низкого

 

 

 

 

 

90

ТНД

 

 

 

давления (ТНД), об/мин;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4000

 

частота вращения турбины высокого

 

 

 

 

80

за

 

 

 

давления (ТВД), об/мин;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вращенияЧастотаТВД, вращениячастотаТНД, продуктовтемпературасгорания

 

 

ЗаданноеположениеТРК 1000

 

средняя температура продуктов сгорания за ТНД, °С;

 

 

 

20

 

 

3500

 

заданное положение топливного регулирующего

 

 

 

70

 

 

 

3000

 

клапана (ТРК), % открытия.

 

 

 

 

 

60

 

 

 

2500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

 

 

 

2000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

1500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

 

 

 

500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

средняя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

200

 

300

400

500

600

700

800

900

1000

 

 

 

 

 

 

 

 

Время, с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. График изменения аналоговых параметров при пуске агрегата типа ГТК 10 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лейная система А 705, дополненная

ре продуктов сгорания, давлению топ

 

 

системой топливного и антипомпаж

ливного газа, помпажу нагнетателя;

 

 

ного регулирования Series 3+ или Se

обеспечено ограничительное регу

 

 

ries 4 фирмы Compressor Controls Cor

лирование частот вращения турбин,

 

 

poration. В качестве топливного регу

температуры

продуктов сгорания,

 

 

лирующего

клапана используется

давления за компрессором двигате

 

 

клапан Amot, на полнонапорных наг

ля;

 

 

 

 

 

 

нетателях в качестве антипомпажного

пуск ГПА производится с плавным

 

 

клапана установлен

клапан фирмы

ограничением скорости роста темпе

 

 

Mokveld Valves bv.

 

 

 

ратуры продуктов сгорания (рис. 7);

 

 

Релейная

автоматика

отличается

нормальный останов ГПА выполня

 

 

низкой надёжностью и примитивным

ется с постепенным снижением час

 

 

отображением информации, в резуль

тоты вращения для охлаждения дви

 

 

тате происходят ложные остановы и

гателя;

 

 

 

 

 

 

невыполненные пуски по вине автома

алгоритмы отказоустойчивого управ

 

 

тики. Также затруднён анализ аварий

ления

обеспечивают

безаварийную

 

 

ных остановов по отказам основного

работу при отказах датчиков;

 

 

 

оборудования, так как средства архи

антипомпажное регулирование наг

 

 

вирования информации вообще отсут

нетателя обеспечивает ограничение

 

 

ствуют. Запасные части для устаревших

расстояния до границы помпажа,

 

 

САУ не выпускаются.

 

 

 

давления на выходе нагнетателя, сте

 

 

Системы регулирования Series 4 ра

пени сжатия нагнетателя;

 

 

 

ботают хорошо, но есть проблема ре

автоматизировано проведение пом

 

 

монтов и отсутствия технической под

пажного тестирования и обеспечена

 

 

держки устаревшего оборудования. Всё

антипомпажная защита путём рас

 

 

это приводит к тому, что при модерни

познавания срыва потока в нагнета

 

 

зации ГПА целесообразна полная за

теле;

 

 

 

 

 

 

мена автоматики вместе с системой ре

выполняется регулирование таких

 

 

гулирования.

 

 

 

 

параметров технологического про

 

 

БР ГПА разработки НПК «ЛЕН

цесса,

как

производительность

 

 

ПРОМАВТОМАТИКА»

отличается

нагнетателя,

давление на

выходе

 

 

следующими характеристиками:

 

нагнетателя, степень сжатия нагне

 

 

выполняется регулирование частоты

тателя;

 

 

 

 

 

 

вращения силовой турбины, турби

в контроллере хранится аварийный

 

 

ны газогенератора или температуры

«быстрый» архив с частотой дискре

 

 

продуктов сгорания по выбору опе

тизации 25 мс и передаётся на АРМ

 

 

ратора, причём обеспечивается точ

оператора ГПА для отображения и

 

 

ность регулирования по частоте вра

архивирования в базе данных.

 

 

щения силовой турбины 3 5 об/мин,

Основу аппаратной части БР состав

 

 

изменение по командам оператора с

ляют IBM PC совместимые контролле

 

 

темпом 10 (об/мин)/с;

 

 

ры фирмы FASTWEL. Контроллеры

86

 

осуществляется аварийная защита по

дублированы и реализуют схему «горя

 

частоте вращения турбин, температу

чего» резервирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В контроллере используется опера ционная система реального времени QNX. Прикладное программное обес печение – собственная разработка фирмы изготовителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание эффективной системы ре гулирования для ГПА с газотурбин ным приводом – сложная техническая задача.

Предметом разработки многих фирм являются системы автоматического антипомпажного и топливного регу лирования, но результат зависит от то го, насколько успешно разработчик сочетает понимание технологического процесса и опыт создания систем уп равления.

Компанией НПК «ЛЕНПРОМАВ ТОМАТИКА» разработан и внедрён блок регулирования для ГПА типа ГТК 10 4. Блок регулирования выпол няет функции топливного и антипом пажного регулирования, его характе ристики позволяют решать эти задачи для любого типа ГПА с минимальными изменениями аппаратуры и програм много обеспечения.

В статье рассмотрен вопрос точно го измерения частоты вращения, приведён пример построения схемы многоконтурного регулирования, а также описан способ автоматизиро ванного помпажного тестирования центробежного нагнетателя. Эти и многие другие вопросы были решены при разработке блока регулирования ГПА.

Эффективность работы блока регу лирования подтверждена успешной эксплуатацией с осени 2007 года. В настоящее время некоторые реше ния, найденные в процессе разработ ки, патентуются.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адаптивные системы управления газо турбинными двигателями летательных ап паратов / В.Ю. Рутковский и др. – М. : Из дательство МАИ, 1994. – 224 с.

2. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины: Учебник для ву зов. – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 288 с.

3. Альбом характеристик центробежных нагнетателей природного газа. – М.: ВНИИГаз, 1985.

Автор – сотрудник ООО НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА» Телефон: (812) 350+1967 E+mail: info@lenprom.spb.ru

www.cta.ru

© 2009, CTA Тел.: (495) 234-0635

Факс: (495) 232-1653 http://www.cta.ru

СТА 2/2009