СПОСОБ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2014 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к газодобывающей, нефтедобывающей и другим областям промышленности и может быть использовано при эксплуатации компрессорных станций.

В рамках требований разработчиков оборудования на предприятиях топливно-энергетического комплекса обслуживание и эксплуатация оборудования, в том числе и приводных газотурбинных установок на базе авиационных двигателей (далее по тексту - ГТУ), производятся по разработанной в СССР единой системе планово-предупредительных ремонтов (далее по тексту - ППР) (например, в газовой промышленности по СТО Газпром 2-2.3-681-2012 «Компрессорные станции. Газоперекачивающие агрегаты. Порядок проведения технического обслуживания и ремонта», либо руководство по эксплуатации на агрегат газоперекачивающий ГПА-16ДКС-09 «Урал» ГПА-16ДКС-09.0000-000РЭ1). Данная система представляет собой совокупность организационных и технических мероприятий по уходу, надзору, обслуживанию и ремонту оборудования, проводимых профилактически по заранее составленному плану, с целью предотвращения прогрессивного износа, предупреждения аварий и поддержания надежности оборудования для постоянной эксплуатационной готовности.

Сущность системы ППР заключается в проведении через определенное (нормированное) количество часов работы оборудования профилактических осмотров и различных видов плановых ремонтов, чередование и периодичность которых определяются назначением оборудования, его особенностями, размерами и условиями эксплуатации.

Существуют следующие недостатки системы ППР:

- усредненные и устаревшие нормативные требования и, соответственно, завышенная трудоемкость работ по обслуживанию,

- проведение технического обслуживания оборудования с заменой деталей и узлов, фактически по своему техническому состоянию не требующих замены,

- периодические остановы для проведения технического обслуживания и последующие пуски в работу, также негативно влияющие на техническое состояние оборудования.

Однако в последние годы для турбинных двигателей практически на всех типах воздушных судов применяются прогрессивные системы технического обслуживания, получившие название «эксплуатация по техническому состоянию». Это рациональное (обоснованное) сочетание форм и методов технического обслуживания и ремонтов - с контролем диагностических параметров, с контролем уровня надежности парка, по фиксированному (установленному) ресурсу.

Известен способ контроля технического состояния ГТУ (патент РФ №2432561, G01M 15/14, 27.02.2012 г.), с применением специального устройства на базе ПЭВМ в промышленном исполнении, на жесткий магнитный диск (НЖМД) которого записано специальное программное обеспечение (СПО), заключающееся в том, что расчетно-экспериментальным путем определяют заданное значение наработки ГТУ до регламентных работ, заданное значение наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ, во время работы ГТУ измеряют частоту вращения газогенератора ГТУ, если частота вращения выше наперед заданной величины, определяемой расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ, запускают счетчик общей наработки ГТУ, значение счетчика общей наработки сравнивают с заданным значением наработки ГТУ до регламентных работ и с заданным значением наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ, как только общая наработка ГТУ станет равной заданной наработке ГТУ до регламентных работ, формируют сигнал «Необходимо проведение регламента ГТУ», останавливают ГТУ и проводят регламентные работы ГТУ, как только общая наработка станет равной заданной наработке ГТУ до капитального ремонта ГТУ, формируют сигнал «Необходимо проведение капитального ремонта ГТУ», выводят ГТУ из эксплуатации и отправляют ГТУ в капитальный ремонт, дополнительно в процессе эксплуатации ГТУ фиксируют количество пусков и аварийных пусков ГТУ, измеряют температуру газов за турбиной ГТУ и фиксируют количество ее резких изменений, фиксируют марку и качество топлива, подаваемого в камеру сгорания (КС) ГТУ, фиксируют количество инжекций воды на вход в ГТУ, фиксируют время эксплуатации ГТУ на режиме базовой нагрузки и на режиме пиковой нагрузки, определяют расчетно-экспериментальным путем коэффициенты влияния на скорость выработки ресурса ГТУ пусков и аварийных пусков ГТУ, резких изменений температуры газов за турбиной ГТУ, инжекций воды на вход в ГТУ, качества топлива, подаваемого в КС ГТУ, режима нагрузки ГТУ при ее эксплуатации, рассчитывают эквивалентную наработку ГТУ, сравнивают ее с общей наработкой ГТУ, и если эквивалентная наработка больше общей наработки, то для определения сроков регламентных работ или капитального ремонта ГТУ используют эквивалентную наработку.

Недостатком известного способа является получение данных расчетным путем, по сути являющихся усредненными и не отражающими в полной мере достоверно техническое состояние отдельных узлов либо в целом ГТУ.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ диагностирования и ремонта одноразовых и короткоресурсных газотурбинных двигателей (патент РФ №2365892, G01M 15/14, 01.2006 г.), включающий регистрацию текущих значений критериев состояния двигателя, сравнение их с заданными эталонными значениями, устранение выявленных дефектов и проведение контрольных проверок, регистрацию текущих значений критериев состояния двигателя осуществляют визуальным осмотром с последующей разборкой двигателя, отправкой покупных агрегатов и комплектующих изделий разработчикам и предприятиям-изготовителям, проведением неразрушающих методов контроля и лабораторных испытаний, сравнивают зарегистрированные значения критериев двигателя, например, с критериями состояния двигателя, выдержавшего государственные испытания, и формируют с соблюдением требований ремонтной технологии перечни агрегатов, узлов и деталей, подлежащих ремонту, замене и допуску годных для сборки, собирают двигатель, устанавливают на испытательный стенд, проводят стендовые приемосдаточные испытания с отладкой параметров и регулировкой всех его систем и проверкой на соответствие техническим условиям качества сборки и основных параметров двигателя заданным значениям, выбирают, из числа прошедших приемосдаточные испытания, двигатель от партии, проводят на нем стендовые ресурсные испытания, далее по программе ресурсных испытаний проводят дополнительную наработку, превышающую суммарную наработку на всех эксплуатационных режимах, формирование заключения по оценке ремонтной технологии и допуску двигателей, принадлежащих одной партии, к дальнейшей эксплуатации с начальным назначенным или измененным ресурсом производят без разборки по техническому состоянию двигателя и после этого осуществляют приемку и отправку остальных двигателей этой партии в эксплуатацию.

Недостатком известного способа является то, что двигатель необходимо демонтировать с места эксплуатации и вывозить в специализированные базы заводов-изготовителей либо другие организации, имеющие соответствующее диагностическое и стендовое оборудование.

Задачей изобретения является повышение надежности обслуживания ГТУ и снижение эксплуатационных затрат.

Технический результат от использования изобретения заключается, в:

- уменьшении количества технических обслуживании, проводимых через определенное (нормированное) количество часов наработки на весь назначенный ресурс (жизненный цикл) ГТУ,

- повышении показателей надежности при эксплуатации ГТУ,

- экономии расходования энергетических ресурсов (топливный газ, электроэнергия), необходимых для более частых остановов и пусков ГТУ,

- снижении времени простоя ГТУ в связи с уменьшением количества и объема регламентных работ,

- снижении количества отходов, образующихся в процессе технического обслуживания и затрат на их утилизацию.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диагностирования и ремонта ГТУ, включающем регистрацию текущих значений критериев состояния двигателя, сравнение их с заданными эталонными значениями, устранение дефектов, выявленных визуальным осмотром, и проведение контрольных проверок, сравнение зарегистрированных значений критериев двигателя, например, с критериями состояния двигателя, выдержавшего заводские испытания, и формирование с соблюдением требований ремонтной технологии перечня агрегатов, узлов и деталей, подлежащих ремонту и замене, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, разработчик ГТУ на месте эксплуатации проводит анализ изменения параметров двигателя ГТУ в процессе эксплуатации относительно полученных параметров при приемо-сдаточных испытаниях на заводе-изготовителе, выполняет оценку мощности, вырабатываемой на валу свободной турбины двигателя, на ее соответствие мощностной характеристике руководства по эксплуатации с учетом установки на двигателе регулировки ограничения максимальной температуры газа за свободной турбиной, далее определяет фактическую мощность на валу свободной турбины, приведенную по давлению окружающей среды и уточненную при текущих значениях температуры входа в двигатель и температуры в выходном устройстве, и определяет запасы до контуров ограничения частоты вращения двигателя и температуры за свободной турбиной ограниченными до номинального режима, проводит анализ количества и периодичность выполненных промывок газовоздушного тракта двигателя ГТУ за период эксплуатации, а так же оценку эффективности указанных промывок путем сравнения отклонений значений параметров до и после промывок от данных приемо-сдаточных испытаний, выполняет оценку изменения параметров маслосистемы двигателя и вибрационных параметров двигателя, проводят визуально-оптический контроль газовоздушного тракта двигателя ГТУ с применением промышленного эндоскопа, а именно осмотр компрессора газогенератора, камеры сгорания, турбины высокого давления, свободной турбины, проводит анализ выполненных мероприятий, направленных на стабилизацию и улучшение рабочих параметров, ресурса и надежности работы ГТУ и анализ результатов проведенных технических обслуживании и ремонтов ГТУ за все время эксплуатации, подготавливает заключение о возможности или невозможности увеличения периодичности регламента технического обслуживания и/или ремонта до расчетных показателей, а именно по техническому состоянию ГТУ.

Способ диагностирования газотурбинных установок осуществляют следующим образом.

1. Оценка состояния ГТУ.

1.1. Проводят анализ изменения параметров двигателя ГТУ в процессе эксплуатации относительно полученных параметров при приемо-сдаточных испытаниях на заводе-изготовителе, а именно:

1.1.1. Проводят оценку изменения основных параметров двигателя (Р_{к пр} - давление компрессора газогенератора и t _{СТ ПР} - температура свободной турбины) относительно данных приемо-сдаточных испытаний на дату фактической, действительной наработки двигателя ГТУ. Приводят параметры двигателя к номинальной частоте вращения ротора газогенератора по линиям аппроксимации дроссельной характеристики приемо-сдаточных испытаний. Результаты оценки для удобства представляют в графическом виде и заносят в форму таблицы №1, приведенную ниже:

Таблица №1 n_{ГГ ПР НОМ} = знач. об/мин Наименование параметра Единицы измерения ПСИ на дату РТ на дату Отклонение от ПСИ Р К ПР кгс/см знач. знач* ±знач * t СТ ПР °С знач. знач* ±знач.* * - с учетом поправки на влияние отбора воздуха на ПОС ВНА знач. - величина параметра в цифровом выражении; ± - отклонение величины параметра, как в положительную сторону, так и в отрицательную от величины ПСИ; РТ - рабочая точка; ПСИ - заводские приемо-сдаточные испытания; n_{гг пр ном} - частота вращения газогенератора приведенная; Р*_{к пр} - давление компрессора газогенератора приведенное; t _{СТ ПР} - температура свободной турбины приведенная.

1.1.2. Выполняют оценку мощности вырабатываемой на валу свободной турбины двигателя на ее соответствие мощностной характеристике из руководства по эксплуатации. Мощностная характеристика приводится для условий:

- атмосферное давление 101,3 кПа (760 мм рт.ст.);

- гидравлическое сопротивление входного тракта (σ_вх) знач. мм вод. ст.;

- гидравлическое сопротивление выхлопной шахты (σ_вых) знач. мм вод. ст.

Оценку выполняют с учетом установки на двигателе регулировки ограничения максимальной температуры газа за свободной турбиной - R_ТСТ = знач. К. Далее определяют фактическую мощность (в кВт) на валу свободной турбины, приведенную по давлению окружающей среды P_H и уточненную по σ_вх, σ_вых, при текущих значениях температуры входа в двигатель t*_вх и температуры в выходном устройстве t*_вых, и определяют запасы до контуров ограничения номинальных режимов частоты вращения газогенератора, - n_{гг огр ном} и температуры свободной турбины - t*_{ст огр ном}, также с определенными значениями. Строят графики ограничительных программ (n_{гг огр ном}, t*_{ст огр ном}) = f(t*_вх) и по дроссельной характеристике определяют влияние имеющихся запасов n_{гг огр ном} и t*_{ст огр ном} на величину располагаемой мощности. После этого определяют значение (кВт) располагаемой мощности на валу свободной турбины (прогнозируемое значение), при работе двигателя на контуре ограничения n_{гг пр ном}, приведенной по P_H и уточненной по σ_вх, σ_вых, при текущих значениях t*_вх и t*_вых.

1.1.3. Проводят анализ количества и периодичность выполненных промывок газовоздушного тракта двигателя ГТУ за период эксплуатации, а также оценку эффективности указанных промывок путем сравнения отклонений значений параметров до и после промывок от данных приемо-сдаточных испытаний. По собранной параметрической информации выполняют анализ эффективности промывок газовоздушного тракта двигателя ГТУ, проведенных за определенный период. Отклонения параметров от данных приемо-сдаточных испытаний до и после промывок, а также изменение параметров за промывку для возможности анализа сводят в таблицу №2, приведенную ниже:

Таблица №2 Дата промывки Наработка с момента предыдущей промывки, ч Отклонения от ПСИ, n_{гг ПР НОМ} = знач. об/мин   Р*_{К ПР}, кгс/см² tст пр, °C     до промывки ±знач.* ±знач* - - после промывки ±знач. ±знач     изменение за промывку ±знач.* ±знач.* * - с учетом поправки на влияние отбора воздуха на ПОС ВНА Где: n_{гг пр ном} - частота вращения газогенератора приведенная; Р*_{к пр} - давление компрессора газогенератора приведенное; t _{ст пр} - температура свободной турбины приведенная.

По данным из таблицы №2 определяют эффективность проведенных промывок газовоздушного тракта двигателя ГТУ и анализируют изменения параметров давления воздуха за компрессором газогенератора и температуры за свободной турбиной.

1.1.4. Выполняют оценку изменения параметров маслосистемы двигателя Р_мдвх; t_мдвх, t_мк, t_мт, t_мст и вибрационных параметров двигателя V_пп, V_зп путем сравнения текущих значений параметров с уровнем значений параметров предупредительной сигнализации, указанным в ведомости измеряемых параметров и сигналов разработчика ГТУ (завода-изготовителя). Изменения параметров маслосистемы двигателя и вибрационных параметров в процессе эксплуатации, в течение рассматриваемого интервала времени представляют в графическом виде и заносят в форму таблицы №3, представленную ниже:

Таблица №3 Параметр Единицы измерения Диапазон изменения параметров Интервал времени (наработка) Уровень предупредительной сигнализации Р_мдвх МПа знач.   <>=знач. t_мдвх °C знач.   <>=знач. t_мк °C знач.   <>=знач. t_мт °C знач. - <>=знач. t_мст °C знач.   <>=знач. V_пп мм/с знач.   <>=знач. V_зп мм/с знач.   <>=знач. Где: Р_мдвх - давление масла на входе в двигатель; t_мдвх - температура масла на входе в двигатель; t_мк - температура масла из опор компрессора ГГ; t_мт - температура масла из опор турбины ГГ; t_мст - температура масла из опор свободной турбины; V_пп, V_зп - виброскорость корпуса двигателя в зоне передней и задней подвески двигателя.

1.2. Инструментальная оценка.

1.2.1. Проводят визуально-оптический контроль газовоздушного тракта двигателя ГТУ с применением промышленного эндоскопа, а именно осмотр компрессора газогенератора, камеры сгорания, турбины высокого давления, свободной турбины. При этом в процессе визуально-оптического контроля проводят фотографирование осматриваемых узлов и деталей. Визуально-оптический контроль газовоздушного тракта двигателя ГТУ проводят с целью выявления возможных изменений цвета, отложения нагара и дефектов узлов и деталей, например, таких как трещин, эрозионных износов, следов касания статорных и роторных частей друг о друга и т.д.

1.2.2. По результатам контроля данные анализируют и делают заключение о возможности увеличения периода проведения визуально-оптического контроля проточной части газовоздушного тракта двигателя ГТУ, а также в случае необходимости определяют периодичность и объемы визуально-оптического контроля отдельных наиболее нагруженных либо критичных узлов, деталей проточной части газовоздушного тракта двигателя ГТУ в процессе эксплуатации.

2. Анализ результатов эксплуатации ГТУ.

2.1. Проводят анализ выполненных мероприятий, направленных на стабилизацию и улучшения рабочих параметров, ресурса и надежности работы ГТУ (как внедренных на момент изготовления двигателя, так и выполненных эксплуатационно-технических указаний и бюллетеней за период эксплуатации ГТУ). За определенный период в годах анализируют внедренные мероприятия на ГТУ и результаты внедренных мероприятий на аналогичных двигателях в части увеличения наработки на отказ, приведших к досрочному съему двигателя по конструктивно-производственным причинам, на определенную наработку в часах. Результаты анализа статистики таких дефектов должны показать, что возможность изменения периодичности выполнения регламента технического обслуживания не влияет на частоту их проявления. При необходимости определяют мероприятия, рекомендуемые для внедрения на ГТУ.

2.2. Проводят анализ результатов проведенных технических обслуживаний и ремонтов ГТУ за все время эксплуатации, а именно рассматривают квалификацию и обеспеченность специальными инструментами и приспособлениями организации проводившей техническое обслуживание и ремонт. Оценивают своевременность проведенных операций технического обслуживания и ремонтов. Анализируют на соответствие требованиям нормативно-технической документации применение в процессе эксплуатации топливного газа и масла.

3. По результатам технического обследования формируют отчет на бумажном носителе и/или в электронном носителе с помощью прикладного компьютера, где приводят информацию о выполненных операциях технического обследования ГТУ и их результаты, в заключение подготавливают вывод о возможности увеличения периодичности регламента технического обслуживания и/или ремонта до расчетных показателей и возможности принятия системы обслуживания и ремонтов ГТУ по техническому состоянию, а также определяются (при необходимости) диагностические операции, необходимые к проведению в период эксплуатации.

4. Соответствующим нормативным документом (например - бюллетень либо эксплуатационно-техническое указание) в руководстве по технической эксплуатации ГТУ увеличивают периодичность регламента технического обслуживания и/или ремонта и прописывают систему обслуживания и ремонтов ГТУ по техническому состоянию.

Способ диагностирования ГТУ может быть использован при эксплуатации компрессорных станций. Разработчик ГТУ на месте эксплуатации проводит анализ изменения параметров двигателя ГТУ в процессе эксплуатации относительно полученных параметров при приемо-сдаточных испытаниях на заводе-изготовителе, затем выполняет оценку мощности, вырабатываемой на валу свободной турбины двигателя, на ее соответствие мощностной характеристике руководства по эксплуатации с учетом установки на двигателе регулировки ограничения максимальной температуры газа за свободной турбиной. Далее определяет фактическую мощность на валу свободной турбины, приведенную по давлению окружающей среды и уточненную при текущих значениях температуры входа в двигатель и температуры в выходном устройстве, и определяет запасы до контуров ограничения частоты вращения двигателя приведенной, номинальной и температуры свободной турбины, ограниченной до номинального режима. Проводит анализ количества и периодичность выполненных промывок газовоздушного тракта двигателя ГТУ за период эксплуатации, а также оценку эффективности указанных промывок путем сравнения отклонений значений параметров до и после промывок от данных приемо-сдаточных испытаний. Выполняет оценку изменения параметров маслосистемы двигателя и вибрационных параметров двигателя, проводит визуально-оптический контроль газовоздушного тракта двигателя ГТУ с применением промышленного эндоскопа, а именно осмотр компрессора газогенератора, камеры сгорания, турбины высокого давления, свободной турбины. Проводит анализ выполненных мероприятий, направленных на стабилизацию и улучшение рабочих параметров, ресурса и надежности работы ГТУ и анализ результатов проведенных технических обслуживании и ремонтов ГТУ за все время эксплуатации, подготавливает заключение о возможности или невозможности увеличения периодичности регламента технического обслуживания и/или ремонта до расчетных показателей, а именно по техническому состоянию ГТУ. Технический результат изобретения - повышение показателей надежности при эксплуатации ГТД.

Способ технического диагностирования газотурбинной установки, включающий регистрацию текущих значений критериев состояния двигателя, сравнение их с заданными эталонными значениями, устранение дефектов, выявленных визуальным осмотром, и проведение контрольных проверок, сравнение зарегистрированных значений критериев двигателя, например, с критериями состояния двигателя, выдержавшего заводские испытания, и формирование с соблюдением требований ремонтной технологии перечня агрегатов, узлов и деталей, подлежащих ремонту и замене, отличающийся тем, что разработчик ГТУ на месте эксплуатации проводит анализ изменения параметров двигателя ГТУ в процессе эксплуатации относительно полученных параметров при приемо-сдаточных испытаниях на заводе-изготовителе, выполняет оценку мощности, вырабатываемой на валу свободной турбины двигателя, на ее соответствие мощностной характеристике руководства по эксплуатации с учетом установки на двигателе регулировки ограничения максимальной температуры газа за свободной турбиной, далее определяет фактическую мощность на валу свободной турбины, приведенную по давлению окружающей среды и уточненную при текущих значениях температуры входа в двигатель и температуры в выходном устройстве, и определяет запасы до контуров ограничения частоты вращения двигателя и температуры за свободной турбиной ограниченными до номинального режима, проводит анализ количества и периодичность выполненных промывок газовоздушного тракта двигателя ГТУ за период эксплуатации, а также оценку эффективности указанных промывок путем сравнения отклонений значений параметров до и после промывок от данных приемосдаточных испытаний, выполняет оценку изменения параметров маслосистемы двигателя и вибрационных параметров двигателя, проводит визуально-оптический контроль газовоздушного тракта двигателя ГТУ с применением промышленного эндоскопа, а именно осмотр компрессора газогенератора, камеры сгорания, турбины высокого давления, свободной турбины, проводит анализ выполненных мероприятий, направленных на стабилизацию и улучшение рабочих параметров, ресурса и надежности работы ГТУ и анализ результатов проведенных технических обслуживаний и ремонтов ГТУ за все время эксплуатации, подготавливает заключение о возможности или невозможности увеличения периодичности регламента технического обслуживания и/или ремонта до расчетных показателей, а именно по техническому состоянию ГТУ.