image
energas.ru

Газовая промышленность № 6 2017

Транспортировка газа и газового конденсата

01.06.2017 11:00 Развитие системы защиты центробежного компрессора от помпажа признаковым способом с использованием вычислительной гидродинамики и анализа сигналов пульсаций давления
В настоящее время повсеместно применяются системы антипомпажной защиты, основанные на параметрическом способе. Недостатком такой антипомпажной системы является то, что невозможно в полной мере обеспечить безопасную работу компрессора на режимах малых расходов, так как будут иметь место большие погрешности измерения. Другой способ антипомпажной защиты – признаковый – заключается в следующем: на основании информационных критериев вовремя обнаруживается возникновение вращающегося срыва, и в дальнейшем принимается управляющее решение в связи с приближением к опасной зоне помпажа. Признаковый способ более сложный и требует применения специальных методов анализа сигналов: вейвлет-анализа, периодограммного анализа, корреляционного анализа. Помимо методов анализа важными являются длина выборки для обработки нестационарных пульсаций давления и метод ее перемещения во времени. В настоящее время стало возможным математическое моделирование нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора (ЦБК). Авторы статьи основываются на данных экспериментальных исследований нагнетателей ГПА «Нева-16».
Ключевые слова: Центробежный компрессор, нестационарные явления в турбомашинах, помпаж, вращающийся срыв, пульсации давления, защита от помпажа.
Открыть PDF


Центробежные компрессоры, как и все турбокомпрессоры, обладают известными эксплуатационными преимуществами по сравнению с объемными компрессорными машинами, но при этом имеют эксплуатационную особенность, связанную с характеристикой и динамическим принципом действия. Зона работы ЦБК строго ограничена минимальным расходом при фиксированной частоте вращения – это объясняется наличием помпажа, который недопустим при нормальной работе ЦБК. Состояния компрессора при помпаже характеризуются, с одной стороны, глобальной (полной) потерей устойчивости, с другой стороны, помпаж – автоколебательный процесс в системе «компрессор – сеть» (рис. 1). Граница начала помпажа определяется формой характеристик компрессора и сети и, как правило, находится в области расходов, меньших по сравнению с границей явления вращающегося срыва. По результатам исследований выявлено, что перед помпажом в проточной части образуется интенсивный вращающийся срыв. При помпаже существуют мощные флуктуации, создаваемые, помимо окружной неравномерности аэродинамических величин и вращающегося срыва, обратным течением газа через проточную часть, что создает повышенные нагрузки на компрессор и на установку в целом [1–7].

1.png

 

Классическая система защиты компрессоров от помпажа

Основным способом защиты ЦБК от помпажа на сегодняшний день является параметрический, но также развивается и другой – признаковый – способ [3].

Одним из основных недостатков параметрического способа является возможность получения большой погрешности при вычислении производительности методом косвенного определения расхода газа [1] по перепаду давления во всасывающем патрубке при интенсивных пульсациях давления на близких к помпажу режимах работы ЦБК. Антипомпажная система, в основе которой лежит данная методика, не может в полной мере обеспечить безопасную работу компрессора на режимах малых расходов, так как будет иметь большие погрешности измерения. Еще одним недостатком параметрической системы является необходимость делать большой запас в уставке системы защиты от помпажа из-за погрешности измерения расхода на время срабатывания исполнительного механизма противопомпажного клапана. В основном данная проблема проявляется на линейных и дожимных ЦБК: у первых пологая характеристика, у вторых могут в процессе работы меняться входные параметры газовой смеси, в том числе и состав газа, что связано как с перекачкой газа из различных месторождений, так и с их исчерпанием. При вводе новых центробежных установок в эксплуатацию проводят помпажные тесты на близких к техническому заданию условиях, которые в процессе эксплуатации изменяются и приводят к смещению границы помпажа, чаще всего – в сторону больших расходов. Для учета данного фактора дополнительно увеличивают уставку с 5 до 25 %, в некоторых случаях режимы оптимальной работы попадают в эту зону. Следствием больших уставок перед помпажом при работе ЦБК является постоянная работа с частично открытым байпасным клапаном. Это позволяет стабилизировать систему автоматики для защиты от помпажа и повысить эффективность.

Исходя из перечисленных недостатков параметрического способа защиты ЦБК от помпажа можно сделать выводы, во-первых, о ненадежности, и во-вторых, о неэкономичности данного способа защиты для некоторых типов ЦБК. Дополнительным подтверждением являются исследования применения признакового способа ведущими мировыми производителями центробежных компрессорных машин [8].

Image_007.png 

Признаковая система защиты компрессоров от помпажа

Признаковый способ защиты ЦБК от помпажа заключается в следующем. На основании информационных критериев, полученных от датчиков давления, установленных за рабочим колесом на статоре ЦБК, необходимо своевременно обнаруживать возникновение вращающегося срыва (или другого характерного явления, предшествующего помпажу) и в дальнейшем принимать решение о приближении к опасной зоне работы – помпажу. Выбор критерия осуществляется с учетом характерных особенностей поведения потока газа в проточной части турбокомпрессора перед возникновением помпажа. Существуют различные способы выявления предпомпажного состояния, в том числе предложенные Я.З. Гузельбаевым [9], Р.Дж. МакКи (McKee) [8]. В настоящей работе применяются признаки и критерии, сформированные на основании многолетних исследований научной группы по изучению нестационарных процессов в ЦБК, возглавляемой профессором, д.т.н. Р.А. Измайловым на кафедре «Компрессорная, вакуумная и холодильная техника» (КВиХТ) Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ).

1_1.png

Развитие системы защиты ЦБК от помпажа признаковым способом на основе численного моделирования

Появление доступных вычислительных средств большой мощности (кластеров, суперкомпьютеров) позволяет не только проводить сложные вычисления с моделированием нестационарных течений в ступени ЦБК, но и моделировать рабочий процесс всего компрессора. Важной особенностью моделирования нестационарных процессов в ЦБК является необходимость проведения расчетов в области 360°, поскольку замена на сектор приводит к искажению полученных результатов и некорректна с точки зрения физики нестационарного процесса. В результате увеличиваются размеры расчетных сеток вне зависимости от того, в каком пакете программ они были построены (ANSYS, NUMECA), а это требует большего числа расчетных узлов кластера. Дополнительным фактором, увеличивающим время расчета, является необходимость проведения расчетов при повороте ротора с некоторым шагом, для стационарного расчета этого не требуется. В итоге моделирование нестационарных процессов в ЦБК требует в 10–20 раз бльших вычислительных мощностей и увеличивает время расчета в 15–30 раз по сравнению со стационарным расчетом для сектора проточной части. В оценке не участвуют режимы, на которых отрывные течения сильнее всего, – это режим вращающегося срыва и помпажа. На этих режимах процесс расчета в зависимости от ступени или проточной части компрессора может значительно затягиваться.

Начальные результаты численного моделирования нестационарных процессов в ступенях ЦБК получены на кафедре КВиХТ СПбПУ Г. Лопулаланом [5]. В этой работе рассмотрена разработка виртуального стенда для исследования нестационарных процессов в проточной части ЦБК, что позволяет обнаружить возникновение вращающегося срыва (так называемый предсрыв) в области φ0опт < φ0 ≤ φ0вр.ср.. Но в результате численного моделирования были получены отличия от натурного эксперимента, а именно: вычисленная частота пульсаций в безлопаточном диффузоре существенно отличается от наблюдаемых в эксперименте. Предположительно это связано с особенностями вычислений с использованием интерфейса transient rotor – stator, передающего данные из вращающегося ротора в неподвижный безлопаточный диффузор. Поскольку при вращающемся срыве зоны отрыва перемещаются по окружности с низкой угловой скоростью (ωз << ωрот), синхронизация по частоте вращения, осуществляемая интерфейсом, приводит к несоответствию численных оценок вращающегося срыва, наблюдаемых в эксперименте.

1_1_1.png

Впоследствии в работах [6, 7, 10–12] было проведено моделирование нестационарных процессов для реального ЦБК природного газа, по характеристикам и размерам ступеней близкого к модельной ступени кафедры КВиХТ. Предварительные результаты расчетов в программном комплексе ANSYS CFX оказались следующими: наблюдается качественное совпадение зон срыва на полях пульсаций давления за рабочим колесом, как и для натурного эксперимента. Было проведено шесть расчетов на режимах от максимального до минимального расхода при одной частоте вращения. Общее число элементов сетки – 10 439 379. Граничные условия при численном испытании на воздухе для CFD (вычислительная гидродинамика): на входе полное давление – 101 300 Па; полная температура – 288 K; статическое давление – 145 800 Па; статическая температура – 288 К; условие периодичности секторных элементов для секторов; условие вращающихся стенок для области за рабочим колесом; частота вращения ротора – 5200 об/мин; модель турбулентности – Shear Stress Transport (SST); рабочее тело: идеальный газ – воздух; учитывается, что его теплоемкость и динамическая вязкость меняются в зависимости от температуры. Расчет производился на кластере СПбПУ при параллельном запуске на 10 узлах, время расчетов в среднем составило 140 ч для одного режима.

Исходя из полученных результатов можно предположить, что основными и одними из важнейших факторов, влияющих на появление нестационарности в проточной части ЦБК, являются отклонения от осесимметричности при изготовлении, качество изготовления и сборки проточной части при натурном эксперименте. При численном же моделировании обеспечиваются идеальная точность модели проточной части и равномерность потока, что приводит к более узким в частотном диапазоне и стабильным по времени существования нестационарностям. В дальнейшем планируется моделирование различных факторов, включая отклонения при изготовлении, оказывающих влияние на нестационарные явления в проточной части, с применением сеток различной густоты.

Развитие системы защиты ЦБК от помпажа признаковым способом на основе анализа сигналов нестационарных процессов и алгоритмов

Способы анализа сигналов выбирали с самого начала исследования нестационарных процессов в ЦБК на кафедре КВиХТ (Ленинградский политехнический институт, 1965 г.) Института энергетики и транспортных систем СПбПУ. Первоначально использовали одноканальные осциллографы, спектрографы, в дальнейшем в ходе эксперимента применяли многоканальные осциллографы, а также первые ЭВМ и комплекс КАМАК. Применение передовых разработок тех лет (1978–1988 гг.) позволило в эксперименте глубоко изучить физику нестационарных процессов в ЦБК. В дальнейшем проводились и проводятся численные эксперименты по анализу сигналов нестационарных процессов в ЦБК, а также, при необходимости, уточняющие эксперименты для дополнения и уточнения полученных результатов. В связи с недостаточностью вычислительных мощностей компьютерного оборудования в период 1975–2000 гг. проведение сложных исследований для выбора методов анализа нестационарных процессов, а также построение алгоритмов на их основе было невозможно. То есть алгоритм можно было построить, но проверить его работоспособность с применением методов анализа было проблематично.

В настоящее время проверены методы выявления периодичностей, спектральный и корреляционный анализ [2, 15], а также методы обработки сигнала фильтраций и вейвлет-преобразования [2, 5, 14–17]. Результаты применения метода вейвлет-разложения наглядно демонстрируются на рис. 2: рассмотрен эксперимент, в ходе которого производились записи режима предсрыва.
В результате обработки экспериментальных данных на картинах плотностей энергетического спектра периодов сигнала видны пики (рис. 2б и 2г). С продвижением по тракту они становятся четче.

Алгоритм для признаковой системы защиты от помпажа – это совокупность методов выявления периодической составляющей в нестационарных пульсациях давления в целях своевременного выявления вращающегося срыва и принятия решения о включении системы защиты от помпажа.

Один из исследованных алгоритмов, основанный на обработке сигналов вейвлет-преобразованием (рис. 3), состоит в том, что производится вейвлет-преобразование сигнала, а после преобразованный сигнал подвергается спектральному и автокорреляционному анализу – параллельным методам выявления периода пульсаций. Полученные периоды и их мощности сравниваются, также анализируется амплитуда пульсаций, в соответствии с методикой, предложенной в работе Нгуен Минь Хая [15], выполненной на кафедре КВиХТ. Такая последовательность позволяет избежать ложных срабатываний системы. При задании границ периодов срабатывания системы также следует учитывать, что четкость получаемых значений может зависеть от временного интервала, на котором производится их определение. Время интервала также связано с условием, что системе защиты требуется время на исполнение решения, полученного в алгоритме, и это время не должно превышать минимальный временной интервал, за который состояние интенсивного вращающегося срыва переходит в режим помпажа.

Для снижения зависимости длины интервала от суммарного времени работы алгоритма и времени, затрачиваемого исполнительными механизмами защиты, используется следующая схема с 90%-м перекрытием. Выбранная запись сигнала с датчика в определенный временной интервал подвергается первому анализу, при последующем анализе из этой записи удаляются первые 10 % записи и в конце добавляются новые 10 %, в итоге это позволяет свободно варьировать длину участка для анализа.

Для оптимизации алгоритма и исключения значения избыточного перекрытия его следует устанавливать для конкретной ступени и установки, так как уменьшение перекрытия может привести к увеличению количества анализируемых интервалов и, как следствие, к росту габаритных размеров системы анализа и стоимости. Выбор условия для принятия решения по значениям периода сделан таким образом, что вычисленные периоды за разные промежутки времени могут принимать неравные критические значения. Для учета этого факта итоговое значение принимается по количеству интервалов с критическими значениями периода за несколько промежутков, на которых производилось определение периода. Это объясняется тем, что для некоторых типов ступеней период срыва более стабилен, а период при развитом срыве может принимать несколько значений в разные промежутки времени. Для определения типа срыва – устойчивый или предсрыв – могут быть получены два значения, равные отношению числа участков с критическим периодом к числу всех участков. Число всех участков выбирается пропорционально промежутку времени, необходимому для установления факта существования развитого вращающегося срыва. При нахождении в зоне предсрыва число участков будет меньше, а следовательно, уменьшится и относительное их значение, а при развитом срыве число участков с критическим уровнем будет больше, и отношение будет бльшим.

Рассмотренный алгоритм может работать в следующей схеме противопомпажной защиты. Система состоит из измерительного оборудования, блоков обработки, принятия решения и управления. Блок каналов измерения обеспечивает работу четырех датчиков давления и выдает аналоговый сигнал пульсаций давления. Блок АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, производит обработку, анализ и принимает решение на основании алгоритма. Этот блок может быть реализован как на стандартной элементной базе промышленных систем управления, так и на DSP (программируемые цифровые процессоры). Число единиц оборудования зависит от типа компрессора, а также от уровня резервирования. Блок реестра (диспетчеризации) рассчитан на запись значений, выявленных во время включения системы защиты и случайных выбросов сигнала, а также на резервное хранение программы алгоритма защиты и пограничных значений. Блок терминала и пульт управления выводят текущие значения о состоянии системы, а также имеют возможность изменения значений границ при наличии необходимого уровня доступа.

 

Перспективы перехода на признаковую систему защиты ЦБК от помпажа

Ужесточающиеся требования к энергоэффективности ЦБК природного газа и чистоте перекачиваемого газа вынуждают потребителей переходить на компрессорное оборудование динамического действия в областях с меньшими массовыми расходами и расширением их зоны устойчивой работы [18]. Становятся актуальными способы расширения зоны работы ЦБК за счет точного определения в характеристике мест, в которых работа невозможна. За счет этого достигается экономия энергии на сжатие газа: во-первых, не происходит раннее открытие байпасного клапана при уставке от помпажа 25–30 % по расходу, во-вторых, при режимах с частичным открытием байпасного клапана на режимах 10; 20; 30; 40 % запаса расхода по помпажу вместо 30; 40; 50; 60 %.
Таким образом, уменьшается объем повторно сжимаемого газа.

 

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИЗНАКОВОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ПОМПАЖА

  1. Определение достоверной границы начала помпажа в зависимости от текущих условий эксплуатации центробежного компрессора.

  2. Расширение устойчивой зоны работы центробежного компрессора не менее чем на 5 % в сторону помпажа.

  3. Мониторинг в реальном времени параметров газодинамической устойчивости центробежного компрессора.

  4. Возможность уйти от проведения помпажных тестов для уточнения новых уставок по помпажу при изменении компонентного состава сжимаемой среды и ее параметров на входе в установку.

  5. Вместо существующей схемы с четырьмя аналоговыми датчиками (датчик перепада давления на входе в компрессор, датчик давления на входе, датчик давления на выходе, датчик частоты вращения) предлагается использовать несколько дискретных датчиков, установленных непосредственно в месте возникновения предпомпажных явлений (предсрыва потока, срыва) – в проточной части компрессора. Дополнительным плюсом такой схемы является более высокая точность и помехоустойчивость дискретных датчиков по сравнению с аналоговыми.

  6. Признаковая система защиты от помпажа позволяет уйти от построения границы помпажа с помощью аппроксимированных данных, полученных по нескольким точкам на основе эксперимента. Такой подход позволяет отказаться от коэффициентов аппроксимации и от эмпирических коэффициентов (например, от коэффициента конфузора нагнетателя). 




← Назад к списку