СПОСОБ АВАРИЙНОЙ ОСТАНОВКИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА Российский патент 2003 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к магистральному транспорту газа и может быть использовано на компрессорных станциях магистральных газопроводов при выполнении аварийных остановок газоперекачивающих агрегатов.

Известен способ остановки газотурбинного агрегата (Патент Российской Федерации 2007600, кл. F 02 C 9/26, БИ 3, 1994) при использовании двух агрегатов, включающий прекращение подачи топлива и перекрытие всасывающего воздуховода у одного агрегата, второй из которых остается работающим, у останавливаемого агрегата измеряют температуру в характерном сечении, пропорционально которой подают выхлопные газы от работающего агрегата во всасывающий воздуховод останавливаемого агрегата.

Данный способ остановки газотурбинного агрегата так же, как и заявляемый способ остановки газоперекачивающего агрегата, включает закрытие топливного стопорного крана газотурбинного двигателя (прекращение подачи топлива) и перекрытие входного крана (перекрытие всасывающего воздуховода). Однако отсутствие аварийной остановки газотурбинного агрегата при нарушении уставки параметрами защиты и операций, выполняемых при этом, резко ограничивает функциональные возможности способа и область его применения.

Известен способ отключения блока компрессорной станции газопровода (заявка Японии 5-1128, кл. F 17 D 3/01, ИСМ, вып. 95, 7, 1987), заключающийся в том, что измеряют частоту вращения вала компрессора и, если она станет меньше установленной величины, начинают закрывать входной и выходной краны компрессора, после их закрытия начинают открывать выпускной кран, а после начала открытия выпускного крана начинают закрывать рециркуляционный кран.

Данный способ отключения блока компрессорной станции газопровода так же, как и заявляемый способ остановки газоперекачивающего агрегата, включает закрытие входного и выходного кранов компрессора (нагнетателя) при срабатывании устройства защиты по частоте вращения вала компрессора (при уменьшении частоты вращения вала компрессора ниже установленной величины). Однако отсутствие аварийной остановки (отключения) нагнетателя при нарушении уставок другими параметрами защиты и операций, выполняемых при этом, резко ограничивает функциональные возможности способа и область его применения.

Известен способ защиты от помпажа компрессора, снабженного байпасным клапаном и дроссельной заслонкой на входе в компрессор (а.с. СССР 1802855, кл. F 04 D 27/02, БИ 10, 1993), путем измерения перепада давления газа на измерительной диафрагме и давления газа на выходе из компрессора, формирования управляющего сигнала в зависимости от измеренного давления газа и воздействия управляющим сигналом на дроссельную заслонку, при этом определяют отношение заданной величины к управляющему сигналу и при значении отношения, большем единицы, дроссельную заслонку устанавливают в фиксированное положение, определения разности управляющего сигнала и заданной величины и открытия байпасного клапана пропорционально полученной разности, а также формирования сигнала наличия помпажа в зависимости от измеренного перепада давления и, в случае его наличия, открытия полностью байпасного клапана.

Данный способ защиты от помпажа компрессора, снабженного байпасным клапаном и дроссельной заслонкой на входе в компрессор так же, как и заявляемый способ остановки газоперекачивающего агрегата, включает открытие байпасного крана. Однако отсутствие аварийной остановки (отключения) нагнетателя при нарушении уставок другими параметрами защиты и операций, кроме возникновения помпажа, выполняемых при этом, резко ограничивает функциональные возможности способа и область его применения.

Известен способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата (К.А. Тельнов, А. А. Файнштейн, С. З. Шабанов, Г.В. Горышин, Г.И. Карнаух, В.К. Кузьмин, А. И. Сурский, А.А. Штурманов, Л.З. Шумилов. Автоматизация газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Л.: Недра, 1983, с. 245 - 253), заключающийся в том, что при нарушении уставки любым параметром защиты одновременно открывают антипомпажный кран нагнетателя, выключают двигатель привода газоперекачивающего агрегата, закрывают входной и выходной краны и открывают свечной кран нагнетателя,
Данный способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата так же, как и заявляемый способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата, включает открытие антипомпажного крана нагнетателя, выключение двигателя привода газоперекачивающего агрегата, закрытие входного и выходного кранов и открытие свечного крана нагнетателя при нарушении уставки любым параметром защиты газоперекачивающего агрегата (при срабатывании любого устройства защиты газоперекачивающего агрегата). Однако отсутствие предварительного разбиения всех параметров защиты газоперекачивающего агрегата на две группы, одновременного открытия антипомпажного крана, выключения двигателя привода, закрытия входного и выходного кранов и, после их закрытия, открытия свечного крана нагнетателя при нарушении уставок параметрами защиты первой группы, и открытия антипомпажного крана нагнетателя, а через установленное время задержки, одновременного выключения двигателя привода и закрытия входного и выходного кранов нагнетателя и, после их закрытия, открытия свечного крана нагнетателя при нарушении уставок параметрами защиты второй группы ведет к возникновению помпажных явлений - помпажного "удара" в момент аварийной остановки агрегата при нарушении уставок параметрами защиты второй группы, что снижает рабочий ресурс газоперекачивающего агрегата. Так, при аварийной остановке газоперекачивающего агрегата из-за существенного различия времени переключения первым выключается двигатель привода, так как время закрытия топливного стопорного крана, через который поступает газ в двигатель, составляет величину порядка 0,2 сек., входной и выходные краны при этом еще открыты, так как время закрытия каждого из них порядка 8-10 сек., расходно-напорная характеристика сети практически не изменяется, в то время как скорость вращения ротора нагнетателя начинает резко уменьшаться вследствие того, что противодействующий момент, приложенный к рабочему колесу нагнетателя, снижается медленнее, чем крутящий момент на валу двигателя привода, так как на двигатель прекращена подача топлива при закрытии топливного стопорного клапана. При этом рабочая точка (точка пересечения расходно-напорной характеристики сети, на которую работал нагнетатель, и расходно-напорной характеристики нагнетателя) смещается влево в область неустойчивой работы и возникает помпажный "удар" - осевой удар силой в несколько тонн, который может вызвать осевой сдвиг рабочего колеса, разрушение уплотнений и тому подобное, что резко снижает рабочий ресурс газоперекачивающего агрегата.

Наиболее близким по технической сущности является способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата (П.Ж. Озол. Автоматизация компрессорных станций с электроприводными и газоперекачивающими агрегатами, "Недра", 1981, с. 107-112, рис. 6,2б), заключающийся в том, то при нарушении уставки любым параметром защиты одновременно открывают антипомпажный кран нагнетателя, выключают двигатель привода газоперекачивающего агрегата, закрывают входной и выходной краны и открывают свечной кран нагнетателя.

Данный способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата так же, как и заявляемый способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата, включает открытие антипомпажного крана нагнетателя, выключение двигателя привода газоперекачивающего агрегата, закрытие входного и выходного кранов и открытие свечного крана нагнетателя при нарушении уставки любым параметром защиты газоперекачивающего агрегата (при срабатывании любого устройства защиты газоперекачивающего агрегата). Однако отсутствие предварительного разбиения всех параметров защиты газоперекачивающего агрегата на две группы, одновременного открытия антипомпажного крана, выключения двигателя привода. закрытия входного и выходного кранов и, после их закрытия, открытия свечного крана нагнетателя при нарушении уставок параметрами защиты первой группы, и открытия антипомпажного крана нагнетателя, а через установленное время задержки, одновременного выключения двигателя привода, закрытия входного и выходного кранов нагнетателя и, после их закрытия, открытия свечного крана нагнетателя при нарушении уставок параметрами защиты второй группы ведет к возникновению помпажных явлений - помпажного "удара" в момент аварийной остановки агрегата при нарушении уставок параметрами защиты, что снижает рабочий ресурс газоперекачивающего агрегата. Так, при аварийной остановке газоперекачивающего агрегата из-за существенного различия времен переключения первым выключается двигатель привода, время выключения которого порядка 0,1-0,2 сек. , входной и выходные краны при этом еще открыты, так как время закрытия каждого из них порядка 8-10 сек., расходно-напорная характеристика сети практически не изменяется, в то время как скорость вращения ротора нагнетателя начинает резко уменьшаться вследствие того, что противодействующий момент, приложенный к рабочему колесу нагнетателя снижается медленнее, чем крутящий момент на валу двигателя привода, так как на двигатель прекращена подача электроэнергии. При этом рабочая точка (точка пересечения расходно-напорной характеристики сети, на которую работал нагнетатель, и расходно-напорной характеристики нагнетателя) смещается влево в область неустойчивой работы и возникает помпажный "удар" - осевой удар силой в несколько тонн, который может вызвать осевой сдвиг рабочего колеса, разрушение уплотнений и тому подобное, что резко снижает рабочий ресурс газоперекачивающего агрегата.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача усовершенствования способа аварийной остановки газоперекачивающего агрегата путем предотвращения возникновения помпажных явлений при аварийной остановке газоперекачивающего агрегата в тех случаях, когда причина, вызвавшая остановку, не требует немедленного отключения агрегата, а допускает задержку на время возникновения потока рециркуляции (2-3 сек.) при открытии антипомпажного крана.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе аварийной остановки газоперекачивающего агрегата, заключающемся в том, что при нарушении уставки любым параметром защиты газоперекачивающего агрегата производят открытие антипомпажного крана нагнетателя, выключение двигателя привода газоперекачивающего агрегата, закрытие входного и выходного кранов и открытие свечного крана нагнетателя, согласно изобретению все параметры защиты газоперекачивающего агрегата предварительно разбивают на две группы, при этом при нарушении уставки параметром защиты первой группы одновременно открывают антипомпажный кран нагнетателя, выключают двигатель привода, газоперекачивающего агрегата, закрывают входной и выходной краны нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя, при нарушении уставки параметром защиты второй группы открывают антипомпажный кран нагнетателя, а через установленное время задержки одновременно выключают двигатель привода газоперекачивающего агрегата и закрывают входной и выходной краны нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя, а также тем, что установленное время задержки одновременного выключения двигателя привода газоперекачивающего агрегата и закрытия входного и выходного кранов нагнетателя выбирают равным времени, которое необходимо для возникновения потока рециркуляции через антипомпажный кран данного нагнетателя.

Введение предварительного разбиения параметров защиты газоперекачивающего агрегата на две группы и выполнение при этом аварийной остановки газоперекачивающего агрегата при нарушении уставки параметром защиты первой группы путем одновременного открытия антипомпажного крана нагнетателя, выключения двигателя привода газоперекачивающего агрегата, закрытия входного и выходного кранов нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя, а при нарушении уставки параметром защиты второй группы путем открытия антипомпажного крана нагнетателя, и через установленное время задержки, одновременного выключения двигателя привода газоперекачивающего агрегата и закрытия входного и выходного кранов нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя, а также выбор установленного времени задержки выключения двигателя привода газоперекачивающего агрегата, входного и выходного кранов нагнетателя равным времени возникновения потока рециркуляции через антипомпажный кран данного нагнетателя, позволяет исключить в среднем в 30-40% случаях аварийных остановок газоперекачивающего агрегата возникновение помпажного "удара" и тем самым предупредить снижение по этой причине рабочего ресурса газоперекачивающего агрегата.

На чертежах для пояснения представлены:
фиг.1 - схема включения (обвязки) газоперекачивающего агрегата;
фиг. 2 - блок-схема системы аварийного останова, реализующей заявляемый способ;
фиг.3 - расходно-напорные характеристики нагнетателя и сети.

Схема включения газоперекачивающего агрегата (фиг.1) содержит газоперекачивающий агрегат 1, состоящий из соединенных кинематически привода 2 и нагнетателя 3, подвод 4 топлива или электроэнергии, блок подключения 5, через который подвод топлива 4 или электроэнергии подключен к приводу 2 газоперекачивающего агрегата 1, входной коллектор 6, выходной коллектор 7, входной трубопровод 8 нагнетателя с входным краном 9, трубопровод 8 соединен одним концом с входом нагнетателя 3, а вторым концом - с входным коллектором 6, свечной трубопровод 10 нагнетателя со свечным краном 11, один конец свечного трубопровода 10 соединен с выходом нагнетателя 3, выходной трубопровод 12 нагнетателя с выходным краном 13, трубопровод 12 подключен одним концом к выходу нагнетателя 3, а вторым концом - к выходному коллектору 7, рециркуляционный трубопровод 14 с антипомпажным краном 15, один конец рециркуляционного трубопровода 14 соединен с выходом нагнетателя 3, а второй конец - с входным коллектором 6, общий вход 16 подачи газа из магистрального газопровода во входной коллектор 6, соединенный с входным коллектором 6, общий выход газа 17 в магистральный газопровод из выходного коллектора 7, к которому подключен выходной коллектор 7, выход в атмосферу 18, который соединен со вторым концом свечного трубопровода 10. Приведенная схема - фиг.1 используется только для пояснения заявляемого способа, поэтому она упрощена за счет исключения элементов обвязки газоперекачивающего агрегата и компрессорной станции, которые не нужны для пояснения предлагаемого способа (трубопровода и крана пускового газа, антипомпажных кранов групп агрегатов, общего антипомпажного крана компрессорной станции и других).

Блок подключения 5 реализуется в зависимости от вида привода, использованного в газоперекачивающем агрегате. Так например, если газоперекачивающий агрегат 1 имеет электрический привод, то блок 5 представляет собой электрическую схему, управляющую подключением и отключением электрической сети к приводу, а если газоперекачивающий агрегат 1 имеет газотурбинный привод, то блок 5 представляет собой устройство, управляющее открытием и закрытием топливного стопорного крана.

Система аварийного останова, реализующая предлагаемый способ (фиг.2), содержит датчики контролируемых параметров защиты 19-1, 19-2,..., 19-n, блок аварийной остановки 20, ко входам которого подключены датчики 19-1, 19-2,... , 19-n, элемент задержки 21, вход которого соединен с третьим выходом блока аварийной остановки 20, элемент ИЛИ 22, к входам которого подключены второй выход блока аварийной остановки 20 и выход элемента задержки 21, первый выход 23, который соединен с первым выходом блока аварийной остановки 20, второй выход 24, к которому подключен выход элемента ИЛИ 22, третий выход 25, который соединен с четвертым выходом блока аварийной остановки 20. Первый выход 23 подключается к управляющему входу "ОТКРЫТИЕ" привода антипомпажного крана 15, второй выход 24 подключается к управляющим входам "ВЫКЛЮЧЕНИЕ" блока подключения 5 и к входам "ЗАКРЫТИЕ" приводов входного крана 9 и выходного крана 13, третий выход 25 подключается к управляющему входу "ОТКРЫТИЕ" привода свечного крана 11. Приведенная блок-схема предусматривает реализацию блока аварийной остановки 20 на логических элементах. В случае, если в качестве блока аварийной остановки 20 используется электронно-вычислительная машина, то элемент задержки 21 и элемент ИЛИ 22 реализуются программным путем.

На фиг. 3 в качестве примера для пояснения процесса перехода в помпаж нагнетателя при аварийной остановке газоперекачивающего агрегата приведены зависимости Рвых= F(Q) - семейство расходно-напорных характеристик нагнетателя - кривые А и расходно-напорная характеристика сети, на которую работает нагнетатель - кривая Б.

Способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата реализуется следующим образом.

Ниже рассмотрена реализация заявляемого способа аварийной остановки газоперекачивающего агрегата для случая газотурбинного привода, но заявляемый способ и описание его реализации полностью применимы и для случая электроприводного газоперекачивающего агрегата.

Предварительно все параметры защиты газоперекачивающего агрегата разбивают на две группы. В первую группу включают те параметры защиты, при нарушении уставок которыми задержка выключения привода газоперекачивающего агрегата 1 и закрытие входного 9 и выходного 13 кранов недопустима, например следующие:
- средняя температура газа за ТНД (турбиной низкого давления);
- перепад давления масло-газ;
- уровень вибрации передней опоры двигателя в горизонтальном направлении;
- уровень вибрации задней опоры двигателя в горизонтальном направлении;
- уровень вибрации задней опоры двигателя в вертикальном направлении;
- вибросмещение переднего опорного подшипника нагнетателя;
- вибросмещение заднего опорного подшипника нагнетателя;
- осевое смещение ротора;
- загазованность отсека автоматики;
- загазованность отсека двигателя, а также следующие события:
- самопроизвольное закрытие входного крана;
- самопроизвольное закрытие выходного крана;
- обнаружение помпажа.

Во вторую группу включают параметры, при нарушении уставок которыми допустима задержка отключения двигателя привода газоперекачивающего агрегата 1 и закрытие входного 9 и выходного кранов 13, то есть параметры, изменение которых за установленное время задержки после достижения ими аварийных значений не приводит к необратимым процессам, ведущим к отказу узлов газоперекачивающего агрегата, например, следующие:
- температура масла смазки нагнетателя;
- температура масла на выходе двигателя;
- температура газа на выходе нагнетателя;
- давление масла смазки нагнетателя;
- давление масла смазки двигателя;
- уровень масла в баке смазки нагнетателя;
- уровень масла в баке смазки двигателя;
- напряжение аккумуляторных батарей постоянного тока.

При нормальной работе газоперекачивающего агрегата 1 рабочая точка "а" - точка пересечения расходно-напорной характеристики нагнетателя и расходно-напорной характеристики сети находится в области устойчивой работы нагнетателя. В процессе работы газоперекачивающего агрегата 1 значения параметров защиты постоянно измеряются датчиками 19-1, 19-2,..., 19-n и подаются в блок аварийной остановки 20, в котором они сравниваются со значениями их аварийных уставок. Если значения параметров защиты не нарушают значений аварийных уставок, то на выходе блока аварийной остановки 20 отсутствуют сигналы. При нарушении каким-либо параметром защиты значения своей аварийной уставки блок аварийной остановки 20 определяет к какой группе принадлежит параметр, нарушивший аварийную уставку и, если параметр принадлежит к первой группе, то выдаст на свои первый и второй выходы сигналы, поступающие одновременно на вход "ОТКРЫТИЕ" привода антипомпажного крана 15, на вход "ВЫКЛЮЧЕНИЕ" блока подключения 5 и на входы "ЗАКРЫТИЕ" приводов входного крана 9 и выходного крана 13. Блок подключения 5 выключает привод газоперекачивающего агрегата 1 (за время порядка от 0,1 до 0,2 сек.), который начинает останавливаться - скорость (число оборов за единицу времени) вращения ротора привода 2 и связанного с ним кинематически нагнетателя 3 начинает резко уменьшаться. Антипомпажный кран 15 начинает открываться. Входной 9 и выходной 13 краны начинают закрываться. Так как время закрытия входного 9 и выходного 13 кранов составляет величину порядка 8-10 сек., а время открытия антипомпажного крана 15 и возникновения рециркуляционного потока через рециркуляционный трубопровод 14 от 2 до 3 сек., то расходно-напорная характеристика нагнетателя (фиг.3) начинает смещаться вниз - в сторону меньших оборотов, а рабочая точка начинает смещаться влево по характеристике сети, которая за время закрытия входного 9 и выходного крана 13 практически не изменяется - точки "б", "в" на расходно-напорной характеристике сети и в момент, когда, при уменьшении оборотов рабочая точка совпадает с максимальным значение рабочей расходно-напорной характеристики (точкой "г"), происходит переброс рабочей точки влево в точку "д", при этом происходит осевой удар силой до 3-5 тонн. Обратный переброс рабочей точки не происходит вследствие того, что привод газоперекачивающего агрегата 1 выключен и увеличение частоты вращения нагнетателя невозможно.

Если параметр принадлежит ко второй группе, то блок аварийной остановки 20 выдает сигналы на свои первый и третий выходы. Сигнал с первого выхода блока 20 поступает на вход "ОТКРЫТИЕ" антипомпажного крана 15, который начинает открываться. Сигнал с третьего выхода задерживается элементом задержки 21 и через время, за которое в рециркуляционном трубопроводе 15 возникает поток рециркуляции, поступает через элемент ИЛИ 22 на второй выход системы 24 и далее вход "ВЫКЛЮЧЕНИЕ" блока подключения 5 и на входы "ЗАКРЫТИЕ" входного 9 и выходного 13 кранов, которые начинают закрываться так же, как в предыдущем случае. Однако, так как антипомпажный кран 15 уже открылся и в рецикуляционном трубопроводе 14 возник поток рециркуляции, то в процессе снижения скорости вращения нагнетателя 3 рабочая точка остается в области устойчивых режимов работы нагнетателя 3 (на фиг.3 справа от максимума на нисходящей ветви расходно-напорной характеристики нагнетателя). Таким образом, исключается возникновение помпажа в случае аварийной остановки газоперекачивающего агрегата 1 по причине нарушения аварийной уставки параметром защиты второй группы.

В общих случаях после закрытия входного 9 и выходного 13 кранов срабатывают соответствующие датчики из датчиков 19-1. 19-2,... 19-n, которые выдают в блок 20 сигналы о закрытом положении кранов 9 и 13. Блок 20 выдает на свой четвертый выход и выход 25 сигнал, который поступает на управляющий вход "ОТКРЫТИЕ" привода свечного крана 11, который начинает открываться.

Изобретение относится к антипомпажной защите компрессоров газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов и может быть использовано в газовой промышленности и любых других отраслях народного хозяйства, в которых используются компрессорные агрегаты, в частности на компрессорных станциях магистральных газопроводов при выполнении аварийных остановок газоперекачивающих агрегатов. Способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата заключается в том, что все параметры защиты газоперекачивающего агрегата предварительно разбивают на две группы, при этом при нарушении уставки параметром защиты первой группы одновременно открывают антипомпажный кран нагнетателя, выключают двигатель привода, закрывают входной и выходной краны нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя, при нарушении уставки параметром защиты второй группы открывают антипомпажный кран нагнетателя, а через установленное время задержки одновременно выключают двигатель привода и закрывают входной и выходной краны нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя, при этом установленное время задержки одновременного выключения двигателя привода и закрытия входного и выходного кранов нагнетателя выбирают равным времени, необходимому для возникновения потока рециркуляции через антипомпажный кран данного нагнетателя. Способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата позволяет предотвратить возникновение помпажных явлений при аварийных остановках газоперекачивающего агрегата в тех случаях, когда причина, вызвавшая аварийную остановку, не требует немедленного отключения агрегата, а допускает задержку выключения двигателя привода и закрытия входного и выходного кранов на время возникновения потока рециркуляции (2-3 с) при открытии антипомпажного крана, т.е. задержка на установленное время не приводит к необратимым процессам, ведущим к отказу узлов газоперекачивающего агрегата. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата, заключающийся в том, что при нарушении уставки любым параметром защиты газоперекачивающего агрегата производят открытие антипомпажного крана нагнетателя, выключение двигателя привода газоперекачивающего агрегата, закрытие входного и выходного кранов и открытие свечного крана нагнетателя, отличающийся тем, что все параметры защиты газоперекачивающего агрегата предварительно разбивают на две группы, при этом при нарушении уставки параметром защиты первой группы одновременно открывают антипомпажный кран нагнетателя, выключают двигатель привода газоперекачивающего агрегата, закрывают входной и выходной краны нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя, при нарушении уставки параметром защиты второй группы открывают антипомпажный кран нагнетателя, а через установленное время задержки одновременно выключают двигатель привода газоперекачивающего агрегата и закрывают входной и выходной краны нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя. 2. Способ аварийной остановки газоперекачивающего агрегата по п.1, отличающийся тем, что установленное время задержки одновременного выключения двигателя привода и закрытия входного и выходного кранов нагнетателя выбирают равным времени, необходимому для возникновения потока рециркуляции через антипомпажный кран данного нагнетателя.