Агрегат ГПА-16Р "Уфа" на компрессорной станции "Москово"

2

12, 16, 29

Датчик частоты вращения ДЧВ-2500А

3

13

Преобразователь термоэлектрический ТХАУ 002-01.17

1

14, 15, 20, 21, 30

Датчик вихретоковый ВД-16

5

18-1,28-1

Устройство сужающее УСБ100-6,4-ХЛ2

2

32, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43

Кран соленоидный

8

34

Клапан топливный регулирующий «АМОТ»

1

35

Прибор контроля пламени «Пламя»

1

36

Клапан антипомпажный «Mokveld»

1

Система защиты обеспечивает защиту агрегата во время пуска и остановки, также автоматически выполняет операции, необходимые для восстановления нормального режима в процессе работы. При аварийном режиме она останавливает агрегат и подает аварийный сигнал обслуживающему персоналу.

Защитные устройства предотвращают повреждение агрегата и обеспечивают безопасность обслуживающего персонала при возникновении аварийных состояний. Все системы защиты действуют независимо от системы управления с тем, чтобы при возникновении неисправности в системах управления, системы защиты не вышли бы из строя. Во всех случаях быстрое отключение турбины и остановка агрегата при возникновении опасного состояния осуществляется предотвращением подачи топливного газа к камере сгорания стопорным клапаном.

Система защиты ГПА предохраняет агрегат в случае отклонения показателей за допустимые пределы: давления масла смазки, осевого сдвига роторов, температуры подшипников, перепада «масло-газ», температуры продуктов сгорания, давления топливного газа, частоты вращения роторов, вибрации подшипников, а также в случаях погасания факела в камере сгорания.

Приведем краткое описание основных компонентов ПАЗ.

Защита по давлению масла смазки. Эта защита останавливает агрегат при падении давления в смазочных системах турбины и нагнетателя ниже установленных величин. Низкое давление масла смазки может нарушить условия смазки и вызвать разрушение подшипников ГПА. Поэтому необходимо проверить включение защиты по маслу. Измерение давления производится электроконтактными манометрами. Эти манометры имеют в своей конструкции две контактные группы для уставок, одна из которых замыкается при понижении давления ниже заданного, а другая при превышении заданного давления.

Защита по погасанию факела. Система обнаружения пламени выполняет две функции. Во время нормального запуска агрегата светочувствительные элементы фотореле обнаруживают установление пламени в камере сгорания и разрешают продолжать последовательность запуска агрегата. В противном случае прекращается подача топливного газа и, таким образом, исключается возможность его скопления в турбине, а следовательно, и возможность взрыва. В случае срыва пламени во время работы немедленно прекращается подача топливного газа в камеру сгорания, в результате чего исключается возможность поступления несгоревшего топлива в патрубок тукбины, где могло бы произойти зажигание в результате соприкосновения топливного газа с горячими поверхностями, что опасно как для обслуживающего персонала, так и для самого оборудования.

Защита по осевому сдвигу роторов. При осевом сдвиге возможно задевание вращающихся деталей агрегата за неподвижные и разрушение отдельных узлов агрегата.

Защита по перепаду давления между маслом уплотнения и газом в полости нагнетателя. Для предотвращения протечек газа по валу из нагнетателя в машинный зал применяется система уплотнения нагнетателя. Для поддержания постоянной разности давления между маслом и газом применяется регулятор перепада давления (РПД).

Защита от превышения температуры газа. При нормальных условиях эксплуатации температура газа обычно поддерживается регулированием расхода топлива. Однако при неисправностях в системе регулирования количество подаваемого топлива, а значит, и температура газа могут превысить установленные пределы. Это может привести к выгоранию лопаток проточной части, разрушению лопаточного аппарата. В начале система защиты от превышения температуры газа включает предупредительный звуковой сигнал и световой сигналы, что указывает на необходимость разгрузки турбины, предотвращая тем самым ее отключение. Если же температура газа будет продолжать повышаться, то система защиты останавливает агрегат. Система защиты спроектирована таким образом, что является независимой от системы регулирования температуры газа.

Защита по превышению частоты вращения роторов ТВД, ТНД. Система защиты от превышения частоты вращения предназначена для защиты газовой турбины от возможных повреждений, вызываемых превышением максимальной частоты вращения валов ТНД, ТВД. При превышении частоты вращения может произойти отрыв лопаток, разрушение замков и дисков, могут появиться осевые сдвиги и разрушения подшипников.

Защита по температуре подшипников. Система защиты по температуре подшипников выдает предупреждающий и аварийный сигналы при возрастании температуры выше допустимой, что может привести к разрушению подшипников, осевым сдвигам, повышенной вибрации.

Система защиты от вибраций. Защита агрегата от вибрации осуществляется с помощью датчиков, размещаемых на корпусах подшипников ГПА. Повышенная вибрация может привести к нарушению условий смазки и разрушению подшипников, задеваниям вращающихся деталей в проточной части. Имеется два уровня вибрации. При достижении первого уровня включается предупредительная сигнализация. При достижении второго уровня срабатывает аварийная сигнализация и происходит остановка агрегата.

Описание защит ГПА приведено в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Защиты ГПА

№ сценария	Позиционное обозначение по ФСА	Условие срабатывания	Действие защиты
1	GE 21	Превышение вибрации ЗОН (гор) выше 115 мкм	Закрытие стопорного клапана
2	GE 14	Превышение осевого сдвига Н выше ±0,8 мм.	Закрытие стопорного клапана
3	GE 15	Превышение вибрации ПОН (вер) выше 115 мкм.	Закрытие стопорного клапана
4	SE 16	Превышение частоты вращения СТ выше 5100 об/мин.	Частичное закрытие ТРК
5	SE 29	Превышение частоты вращения ТНД выше 5800 об/мин	Частичное закрытие ТРК
6	SE 12	Превышение частоты вращения ТВД выше 7900 об/мин	Частичное закрытие ТРК
7	GE 31	Превышение вибрации ГГ выше 55 мм/с.	Закрытие стопорного клапана
8	GE 9	Превышение абсолютной вибрации СТ выше 45 мм/с	Закрытие стопорного клапана
9	GE 30	Превышение вибрации ПОН (гор) выше 115 мкм.	Закрытие стопорного клапана
10	GE 20	Превышение вибрации ЗОН (вер) выше 115 мкм.	Закрытие стопорного клапана
11	PDT 1	Снижение перепада Р между газом и маслом уплотнения < 0,05 МПа	Закрытие стопорного клапана, 12 крана, открытие 9 крана
12	FE 28-1	Снижение перепада Р на конфузоре Н < 0,05 МПа	Открытие крана 6р
13	TT 2	Превышение температуры заднего подшипника Н выше 70 °С	Закрытие стопорного клапана
14	PT 23	Превышение давления газа на выходе нагнетателя выше 7,3 МПа	Открытие крана 6р
15	TT 10	Превышение температуры упорного подшипника нагнетателя выше 70 °С	Закрытие стопорного клапана
16	TE 13	Превышение температуры выхлопных газов выше 650 °С	Частичное закрытие ТРК
17	BA 35	Отсутствие пламени в камере сгорания	Закрытие ТРК, стопорного клапана
Примечание: гор. - горизонтальный; вер. - вертикальный.

3.5 Основные технические средства измерения и контроля

Топливный контроллер для газовых турбин.

Основная задача топливного регулирующего клапана состоит в таком изменении расхода топлива, которое обеспечит стабилизацию частоты вращения силовой турбины на заданном уровне. При любом заданном давлении на стороне нагнетания расход рабочей среды, проходящей через компрессор является функцией частоты его вращения. Для поддержания постоянного давления на нагнетании с учетом различных потребностей процесса используется схема каскадного регулирования, связывающего давление с частотой вращения. Контур регулирования давления изменяет уставку контура регулирования частоты вращения, который влияет на расход топлива. В конечном результате турбина развивает достаточную мощность для сжатия требуемого количества газа.

В состав механической части входят поворотный топливный клапан для регулирования расхода топливного газа и исполнительный поворотный механизм. Поворотный топливный клапан представляет собой разгруженное от усилий устройство с высокоточным регулированием расхода топливного газа по всему диапазону режимов работы агрегата - от зажигания, до работы на полной мощности. Корпус клапана рассчитан на избыточное давление 10 МПа.

В обычном исполнительном механизме используется шаговый электродвигатель с цифровым управлением и передаточный механизм с прецизионной прямозубой цилиндрической зубчатой передачей. Обратная связь по положению осуществляется цифровым датчиком положения. Исполнительный механизм создаёт крутящий момент до 50 Н/м и совершает поворот на 60 градусов за 250 мс.

Регулирование положения рабочего органа исполнительного механизма осуществляется по сигналам положения в диапазоне 4-20 мА. При помощи АЦП входной сигнал преобразуется в 12-ти разрядную величину, по которой текущее положение рабочего органа исполнительного механизма сравнивается с требуемым. Сигнал рассогласования рассчитывается по разности между текущими и требуемыми положениями. Затем система управления определяет, сколько шагов потребуется для перемещения рабочего органа из текущего положения в требуемое, и инициирует перемещение в нужную точку. Конструкция клапана обеспечивает «замораживание» состояния клапана в случае неисправности источника постоянного тока или достижения заданной величины управляющего сигнала.

Поворотный топливный клапан работает в паре с контроллером в эксплуатационном режиме (рисунок 3.3).

Сразу после подачи питания система пытается уменьшить рассогласование между текущим положением исполнительного органа клапана и введённой уставкой.

При нормальной работе системы контроллер пытается уменьшить любое рассогласование между заданным посредством уставки и текущим положением рабочего органа.

Вихретоковый датчик типа «ВД-16».

Вихретоковый датчик типа «ВД-16» предназначен для измерения виброперемещения и осевого сдвига валов подшипников скольжения [3].

Вихретоковые датчиковые системы предназначены для бесконтактного измерения вибрации и частоты вращения электропроводящих объектов. Они применяются для диагностики состояния промышленных турбин, компрессоров, электромоторов.

Рисунок 3.3 - Структурная схема топливного клапана с контроллером

Вихретоковый датчик состоит из бесконтактного вихревого пробника, удлинительного кабеля и драйвера.

Вихревой пробник представляет собой металлический зонд с диэлектрическим наконечником на одном конце и небольшим отрезком коаксиального кабеля на другом. С помощью коаксиального удлинительного кабеля пробник подключается к драйверу. Драйвер представляет собой электронный блок, который вырабатывает сигнал возбуждения пробника и осуществляет выделение информативного параметра. Драйвер обеспечивает возбуждение электромагнитных колебаний в катушке, в результате чего возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с материалом контролируемого объекта. Выходным сигналом драйвера является, электрический сигнал пропорциональный расстоянию от торца вихревого пробника до контролируемого объекта.

В торце диэлектрического наконечника вихревого пробника находится катушка индуктивности. Драйвер обеспечивает возбуждение высокочастотных колебаний в катушке, в результате чего возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с материалом контролируемого объекта. Если материал обладает электропроводностью, на его поверхности наводятся вихревые токи, которые, в свою очередь, изменяют параметры катушки - ее активное и индуктивное сопротивление. Параметры меняются при изменении зазора между контролируемым объектом и торцом датчика. Драйвер преобразует эти изменения в электрический сигнал, осуществляет его линеаризацию и масштабирование. Схематичное изображение принципа работы вихретокового датчика представлено на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Схематичное изображение принципа работы вихретокового датчика

Вихретоковые датчики обладают хорошим частотным откликом (реакция на изменение расстояния между торцом пробника и объектом контроля). Обычно частотный диапазон составляет 0 - 10000 Гц. При этом неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает 0,5 дБ.

Входным параметром вихретокового датчика является величина зазора между торцом пробника и электропроводящим объектом. Величина измеряемого зазора составляет несколько миллиметров и зависит от диаметра катушки, заключенной в торце диэлектрического наконечника. Выходной сигнал, пропорциональный измеряемому зазору, может быть представлен в виде напряжения, тока или в цифровом формате (определяется типом системы наблюдения).

Вихретоковый метод обладает исключительной точностью, поскольку не только не имеет нижнего предела по частоте, но и не требует математической обработки результатов измерения ввиду прямого соответствия выходного сигнала текущему смещению вала или измерительного буртика относительно корпуса.

Для измерения величины радиальной вибрации, как правило, используют два датчика установленные перпендикулярно валу и развернутые относительно друг друга на 90 градусов. Ортогональное X-Y размещение датчиков улучшает диагностические возможности, поскольку при наличии соответствующих средств мониторинга позволяет визуально наблюдать орбиту движения вала в радиальной плоскости.

Для измерения осевого сдвига датчик размещают параллельно оси в торце вала и (или) параллельно плоскости измерительного буртика. В некоторых случаях для усиления диагностических возможностей в торце вала рекомендуется устанавливать два датчика. Это позволяет помимо смещения измерять угол отклонения вала от осевой линии.

Прибор контроля пламени типа «Пламя».

Контроль факела осуществляется прибором типа «Пламя», работающим по принципу обнаружения низкочастотных (6 Гц) пульсаций пламени в камере сгорания. Конструктивно прибор состоит из фотодатчиков типа ФД-2 и вторичного устройства. Прибор обеспечивает быстродействующую защиту турбины от срыва факела в камере сгорания, а также выдает сигнал в систему управления о появлении факела при пуске ГПА [3].

В качестве чувствительного элемента фотодатчика, преобразующего пульсации светового потока в электрический сигнал, используется фоторезистор типа ФСА-Г1. Датчики устанавливаются напротив специальных смотровых окон камеры сгорания так, чтобы расстояние между окном и защитным стеклом датчика было в пределах 100-200 мм. Это необходимо для предохранения фоторезистора от нагрева прямым излучением факела. От датчика электрический сигнал поступает на вторичный прибор, где с помощью разделительного конденсатора выделяется переменная составляющая, возникающая из-за пульсации яркости пламени в камере сгорания, что делает схему нечувствительной к излучению горячих стенок камеры сгорания, которое сохраняется и после погасания факела.

Датчик частоты вращения типа «ДЧВ-2500».

Для измерения частоты вращения валов ТВД и ТНД используется датчик частоты вращения типа «ДЧВ-2500» [3].

Принцип действия частотно-импульсных тахометров основан на измерении частоты переменной ЭДС, пропорциональной частоте вращения вала.

Датчик частоты вращения типа «ДЧВ-2500» предназначен для выдачи электрических импульсов напряжения, частота следования которых пропорциональна угловой скорости вращения вала авиадвигателя. Принцип действия датчика типа «ДЧВ-2500» заключается в индуцировании электрических импульсов напряжения в обмотке датчика за счет изменения сопротивления магнитной цепи при вращении, индуктора под торцом датчика. Схема датчика типа «ДЧВ-2500» приведена на рисунке 3.5.

Датчик частоты вращения состоит из катушки 3 постоянного магнита 5, корпуса 2 и штепсельного разъема 1 со штепсельной колодкой и штырями.

Датчик является генератором электрических импульсов напряжения и работает следующим образом: при вращении индуктора 4 каждый из его зубьев проходит в непосредственной близости от торца датчика, результатом чего является возникновение ЭДС, индуцируемой в катушке датчика. Частота импульсов напряжения, снимаемая с датчика, соответствует частоте прохождения зубьев мимо его торца, зависит от частоты вращения индуктора и, следовательно, вала двигателя.

1 - штепсельный разъем; 2 - корпус; 3 - катушка; 4 - индуктор; 5 - постоянный магнит

Рисунок 3.5 - Схема датчика типа «ДЧВ-2500 А»

4. Анализ методов и средств повышения достоверности виброметрической информации

Современная техника требует создания универсальных методов достоверной оценки работоспособности оборудования, как в текущий момент времени, так и в прошлых и в будущих промежутках времени. Поэтому разработка эффективных методов контроля технологических параметров ГПА, связанных с выявлением неисправностей на ранней стадии их возникновения, является приоритетным направлением в газовой промышленности.

Виброконтроль ГПА входит в систему противоаварийной защиты (ПАЗ). К надежности систем ПАЗ предъявляются особые требования. Датчик вибрации вносит свой вклад в конечный результат измерения параметров вибрации, поэтому достоверность зависит от качества датчика.

Целью данного дипломного проекта является повышение надежности работы газоперекачивающего агрегата по данным вибромониторинга за счет увеличения достоверности и эффективного использования комплексных параметров вибрации. Для этого необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать источники вибрации ГПА;

- проанализировать существующие методы и средства обнаружения вибрации и выбрать оптимальные средства мониторинга для газоперекачивающего агрегата ГПА-16Р «Уфа»;

- разработать компьютерную модель датчика абсолютной вибрации для увеличения надежности срабатывания системы ПАЗ.

4.1 Анализ источников вибрации ГПА

Транспортировка природного газа невозможна без эффективной работы газоперекачивающих агрегатов. Эффективная работа газоперекачивающего агрегата позволяет снизить стоимость эксплуатации, увеличить межремонтный ресурс, снизить трудозатраты на обслуживание, своевременную постановку на ремонт. Большое значение в связи с этим приобретает оснащение агрегатов современными комплексами, позволяющими проводить диагностику технического состояния в процессе их работы, среди которых особое место занимает вибрационная диагностика. Возврат средств, затраченных на приобретение и эксплуатацию диагностических систем, обычно происходит при первом предотвращении неисправности.

Вибрация является одной из наиболее распространенных причин, ограничивающих надежность роторного оборудования. Повышенная вибрация приводит к снижению срока службы агрегата и может привести к аварии. С другой стороны, вибрация - это наиболее информативный сигнал, характеризующий состояния механических частей и агрегата в целом. Измеряя и исследуя сигнал вибрации, можно решить две важные задачи:

- во-первых, организовать систему противоаварийной защиты агрегата (при превышении аварийной уставки вибрации оборудование можно автоматически остановить на начальном этапе аварии, не допустив его полного разрушения);

- во-вторых, системы вибромониторинга и вибродиагностики позволяют перейти на ремонт по техническому состоянию, что намного выгоднее ныне существующей системы планово-предупредительного ремонта.

Цель контроля вибрации - своевременное предотвращение развития аварии с серьезными разрушениями контролируемого оборудования. Система вибромониторинга позволяет в режиме реального времени проводить оценку технического состояния газоперекачивающего агрегата и его узлов, определяя характер и локализацию дефекта по соответствующим вибрационным параметрам работы агрегата. Работа газоперекачивающего агрегата невозможна без действия возмущений, поскольку вращение роторов связано с колебательными явлениями. Мониторинг и диагностика по вибросигналу основаны на том, что каждый дефект создает вибрацию на характерной для него частоте. Причинами этих вибраций являются:

- небаланс масс ротора (несовпадение центра тяжести масс ротора или отдельных его частей с осью вращения);

- расцентровка валов (несовпадение осей вращения роторов газогенератора и силовой турбины);

- механические причины (большие зазоры в опорах роторов);

- масляная вибрация (вибрация, вызванная пульсацией параметров масла в опорах ротора);

- помпаж;

- колебания, возбуждаемые подшипниками качения - вследствие геометрических погрешностей.

Вибрация агрегата определяется силой возбуждения, ее направлением и частотой. При вращении ротора неуравновешенные массы вызывают вращающиеся вместе с ротором центробежные силы. Последние вызывают вибрации ротора и подшипников, а также изгибают ротор. Поэтому в газоперекачивающем агрегате силы возбуждения связаны прежде всего с процессом вращения валов.

Вибрация, как протекающий во времени процесс, описывается соответствующим законом колебаний и характеризуется определенными параметрами этого закона. В роторном оборудовании характер взаимодействия элементов подчинен периодическому закону, связанному с вращательным движением. В таких агрегатах периодические возбуждения проявляются как сумма гармонических составляющих, кратных основной частоте возмущения, то есть в виде полигармонической вибрации (сумма гармонических колебаний разных частот). Вибрация описывается тремя независимыми параметрами: амплитудой, частотой и фазой. Мерой амплитуды вибрации является вибросмещение. Вибросмещение равно расстоянию от точки отсчета или от положения равновесия. Вибросмещение представляет интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение объекта. Помимо колебаний по координате вибрирующий объект испытывает колебания скорости и ускорения. Скорость представляет собой быстроту изменения координаты и обычно измеряется в мм/с. Ускорение есть скорость изменения скорости и обычно измеряется в мм/с2.

Одни и те же вибрационные данные, представленные в виде графиков смещения, скорости или ускорения, будут выглядеть по-разному. Вибросмещение имеет большие значения в низкочастотной области и малые значения в высокочастотной. Этот параметр используется для ограничения механического перемещения, так как характеризует максимальное смещение тела. Виброускорение, напротив, возрастает в выокочастотной области и имеет малые значения при низкой частоте. Этот параметр характеризует силы, действующие в объекте, и используется для анализа и контроля максимальных сил при возможности возникновения деформации. Виброскорость имеет равномерный спектр. Виброскорость характеризует кинетическую энергию, сосредоточенную в объекте. При контроле вибрации наиболее удобным является параметр виброскорости, так как легче нормировать параметр с равномерным спектром. На рисунке 4.1 один и тот же вибрационный сигнал представлен в виде виброперемещения, виброскорости и виброускорения.

Важным является вопрос, каким значением нужно пользоваться при определении уровня вибропараметра. График виброперемещения трудно анализировать на высоких частотах, зато высокие частоты хорошо видны на графике ускорения. Спектр виброскорости наиболее равномерен.

Виброперемещение наиболее целесообразно характеризовать размахом колебания, так как при наличии четных гармоник наибольшие значения положительного и отрицательного отклонений могут быть различными. Поэтому только размах, то есть сумма абсолютных значений наибольших положительных и отрицательных отклонений, может быть принят за меру виброперемещения. Датчик, измеряющий виброперемещение, называется виброметр (проксиметр) [4].

а) б) в)

Рисунок 4.1 - Спектр вибрационного сигнала: а - виброперемещение; б - виброскорость; в - виброускорение

Виброскорость обычно определяют среднеквадратическим значением. Основным преимуществом измерения среднеквадратических значений является независимость этих значений от сдвигов фаз между отдельными составляющими спектров измеряемой вибрации. Виброскорость измеряют велосиметром.

Датчик, измеряющий виброускорение, называется акселерометр.

4.2 Анализ существующих методов и средств обнаружения вибрации

Процесс преобразования виброперемещения в виброскорость или виброскорости в виброускорение эквивалентен математической операции дифференцирования. Обратное преобразование виброускорения в виброскорость и виброскорости в виброперемещение является по сути интегрированием. На практике, дифференцирование приводит к росту шумовой составляющей сигнала. Интегрирование, напротив, может быть осуществлено с высокой точностью с помощью простых электрических цепей. Это является одной из причин, почему акселерометры сегодня стали основными датчиками вибрации: их выходной сигнал можно легко подвергнуть однократному или двухкратному интегрированию и получить либо виброскорость, либо виброперемещение.

Датчик вибрации - это устройство, которое преобразует механическое колебание в электрический сигнал. В основе всех средств измерения и анализа сигналов вибрации лежат три блока, выполняющие разные операции. Первый - датчик вибрации, преобразующий колебаний в электрический сигнал. Второй - фильтр, выделяющий компоненты сигнала в необходимой области частот. Третий - детектор, служащий для оценки амплитуды выделенных компонент. На рисунке 4.2 показана структура прибора для оценки общего уровня вибрации корпуса агрегата.

Защита ГПА по вибрации осуществляется с помощью датчиков абсолютной вибрации и датчиков относительной вибрации. Имеется два уровня вибрации. При достижении первого уровня включается предупредительная сигнализация.

Рисунок 4.2 - Структура прибора для оценки общего уровня вибрации корпуса агрегата

При достижении второго уровня срабатывает аварийная сигнализация и происходит остановка агрегата.

Различные узлы агрегата требуют различного подхода с точки зрения контролируемого параметра вибрации. Вибрационный контроль ГПА обычно осуществляется двумя способами: это виброскорость корпуса газогенератора и силовой турбины с помощью пьезоэлектрических акселерометров и виброконтроль ротора турбины нагнетателя с помощью вихретоковых датчиков относительной вибрации, которые устанавливаются на статоре и контролируют виброперемещение ротора.

Вибрация силового корпуса возбуждается жестким неуравновешенным ротором. Она характеризует общее вибрационное состояние двигателя - это степень неуравновешенности ротора и степень возбуждения вибрации несиловых элементов. Она же характеризует общую колебательную энергию двигателя. Поскольку кинетическая энергия прямо пропорциональна массе и квадрату виброскорости, то общая колебательная энергия сосредоточена в основном в главных массах двигателя, а вибрация силового корпуса является ее определяющей характеристикой. Соответственно, вибрация силового корпуса может быть названа общей вибрацией двигателя.

На газоперекачивающем агрегате также производится контроль относительной вибрации опор нагнетателя и осевого сдвига нагнетателя. Относительная вибрация вала - это быстрые движения вала по отношению к рабочей трущейся поверхности подшипников. Относительное перемещение вала - это изменение положения вала в осевом направлении относительно первоначального. Относительная вибрация вала характеризует движение ротора относительно центра его оси, прогиб оси вала при вращении.

Превышение осевого сдвига характеризует степень изношенности подшипников или недостаточную их жесткость. Под осевым сдвигом понимается изменение расстояния в осевом направлении между упорным подшипником и направляющим диском. Упорный подшипник должен задерживать осевые усилия в агрегате. При повреждении упорного подшипника в такой же степени может иметь место повреждение рабочих лопаток и даже полный выход агрегата из строя.

Абсолютная вибрация корпуса газогенератора измеряется относительно фиксированной системы отсчета, находящейся в самом датчике. Датчики устанавливаются на корпусе агрегата. Вибрация корпуса происходит потому, что на корпус действуют разные силы, включая динамические силы вибрирующего ротора, которые передаются через подшипники на корпус. Величина вибрации корпуса зависит от относительных масс ротора и корпуса, жесткости опорной конструкции самого корпуса [5].

Энергию вибрации агрегата несут в себе основные роторные гармоники, которые имеют частоты, кратные частотам вращения роторов. Поэтому для оперативного анализа вибрации газоперекачивающего агрегата необходимо применение каналов, позволяющих контролировать не только уровень вибрации, но и частоту вращения роторов.

Для определения абсолютной вибрации газогенератора и силовой турбины используют пьезоэлектрические однокомпонентные акселерометры, измеряющие проекцию вектора виброускорения на собственную ось датчика, то есть в направлении, перпендикулярном плоскости основания. Пьезоэлектрический акселерометр является датчиком инерционного типа. Его выходной сигнал пропорционален ускорению поверхности, на которой он установлены.

Принцип работы пьезоэлектрических вибропреобразователей основан на явлении прямого пьезоэффекта. При прямом пьезоэффекте, под действием механических сил на некоторые вещества с кристаллической структурой, возникает деформация элементарных частиц кристалла, приводящая к смещению положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что вызывает электрическую поляризацию вещества. Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко применяют кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью. Если температура пьезоэлемента повышается и достигает температуры Кюри, то его пьезоэлектрические свойства утрачиваются.

Пьезоэлемент акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями находящаяся в корпусе акселерометра масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. Это соответствует закону, согласно которому сила равна произведению массы на ускорение.

Простейший пьезоакселерометр с пьезоэлементом, работающим на растяжение-сжатие, состоит из инерционной массы, пьезоэлемента и основания, жестко между собой соединенными, и закрытого корпуса. При воздействии вибрации пьезопластина деформируется и на обкладках каждой пьезопластины появляется знакопеременный заряд, пропорциональный в рабочей полосе частот ускорению поверхности, на которой установлен датчик. Напряжения, создаваемые этими зарядами, поступают на дифференциальный вход согласующего усилителя. Согласующий усилитель осуществляет усиление и преобразование заряда в пропорциональную величину напряжения. Электрический сигнал с согласующего усилителя, пропорциональный виброускорению, поступает на вход измерительного блока. Измерительный блок включает в себя следующие функциональные узлы: ячейку искрозащиты, фильтр верхних частот, интегратор, детектор среднеквадратических значений, узел аварийной и предупредительной сигнализации. Интегратор производит интегрирование электрического сигнала и формирование амплитудно-частотной характеристики канала измерения. Фильтры нижних и верхних чатсот обеспечивают выделение вибросигнала частотой от 10 Гц до 1 кГц.

На рисунке 4.3 приведена структурная схема измерения вибрации газоперекачивающего агрегата.

Рисунок 4.3 - Структурная схема измерения вибрации и частоты вращения ГПА

Детектор выделяет среднеквадратическое значение электрического сигнала, пропорционального виброскорости. Узел сигнализации служит для указания превышения уровня вибрации выше заданного значении [6].

На рисунке 4.4 изображен датчик абсолютной вибрации.

Сейсмическая масса крепится к основанию осевым болтом, который прижимает кольцевую пружину. Элементом, непосредственно воспринимающим ускорение, является сейсмическая масса. Между массой и основанием вставляется пьезоэлемент. При воздействии силы возбуждения вибрации на сейсмическую массу воздействует сила F(t). Эта сила пропорциональна ускорению сейсмической массы m, то есть ускорению всей системы: . Когда на пьезоэлемент действует сила, на его поверхностях появляется электрический заряд. Масса воздействует на чувствительный элемент с такой же по величине и противоположной по направлению силой.

Рисунок 4.4 - Датчик абсолютной вибрации

На обкладках пьезоэлемента появляется заряд, пропорциональный ускорению:

, (4.1)

где d - пьезомодуль пьезоэлемента;

Q - заряд;

K - коэффициент преобразования по заряду.

Величины массы и жесткости упругого элемента определяют собственную частоту датчика. Эта частота должна быть значительно (обычно вдвое) выше максимальной частоты измеряемой вибрации. На частотах, значительно меньших резонансной частоты общей системы масса-пружина, ускорение акселерометра идентично ускорению его основания и, следовательно, генерируемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний. В области резонанса нарушается пропорциональность между выходным сигналом пьезодатчика и ускорением механических колебаний агрегата.

В настоящее время в защиту газоперекачивающих агрегатов включают следующие системы мониторинга вибрации:

- «ИВ-Д-ПФ» и «КСА-15»;

- «Вектор-П»;

- «Рубин-М1»;

- «СВКА-1».

Приведем краткое описание основных систем вибромониторинга.

Аппаратура виброконтроля типа «СВКА-1» представляет собой устройство, принцип действия которого основан на преобразовании механического колебания в электрический сигнал. Входящие в состав аппаратуры измерительные каналы позволяют измерять виброускорение (мгновенное значение), виброскорость (СКЗ и мгновенное значение), виброперемещение (размах), осевое перемещение.

Стационарный комплекс вибрационного контроля типа «Рубин-М1» предназначен для автоматического отключения аварийного оборудования при выходе параметра вибрации за аварийную уставку, обнаружение зарождающихся дефектов на ранней стадии их развития, анализ по сложным алгоритмам в широком частотном и динамическом диапазонах. Контролируемые параметры вибрации: общий уровень вибрации в заданной полосе, спектры, полосовые уровни вибрации, временные сигналы, огибающая, пик-фактор.

Аппаратура типа «ИВ-Д-ПФ» предназначена для непрерывного контроля вибрации и вибродиагностики двигателя АЛ-31-СТ с выдачей результатов контроля в систему автоматического управления. Аппаратура контрольно - сигнальная КСА-15 предназначена для непрерывных измерений и контроля относительных виброперемещений и осевых сдвигов роторов центробежных нагнетателей, а также сигнализации о превышении заданных значений уровней виброперемещения и осевого сдвига [7].

Анализатор типа «Вектор-П» - это многофункциональное многоканальное микропроцессорное устройство, осуществляющее измерение параметров вибрации и предназначенное для организации защиты, мониторинга и диагностики вращающегося оборудования. Анализатор осуществляет сбор и обработку в реальном времени параметров: СКЗ виброскорости, амплитуда виброскорости, размах виброперемещения, ПИК-фактор виброскорости и виброускорения, пиковое значение модуля вектора относительной вибрации, осевой сдвиг, скорости вращения.

Сравнительные характеристики средств контроля вибрации приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Сравнительная характеристика средств контроля вибрации

Характеристики	Аппаратура контроля вибрации
	ИВ-Д-ПФ	КСА-5	Вектор-П	СВКА	Рубин-М1
Измерение виброперемещения		+	+	+	+
Измерение виброскорости	+		+	+	+
Измерение виброускорения	+		+	+	+
Измерение осевого сдвига		+	+	+	+
Диапазон рабочих частот, Гц	5-500	10-2000	0-2000	10-1000	2-25000
Предел допускаемой приведенной погрешности измерения, %	8	5	3	5	5
Тип используемого вибропреобразователя	МВ-46	ВД-16	МВ-46, ВД-16	АНС-202	МВ-46, ВД-16

Целью дипломного проекта было повышение надежности работы ГПА. Используемая в настоящее время аппаратура контроля вибрации типа «ИВ-Д-ПФ» не обеспечивает достоверного получения данных вибромониторинга потому, что в ее составе отсутствует контроллер, способный учитывать влияние датчика вибрации на конечный результат измерения.

Я предлагаю использовать в качестве системы контроля вибрации анализатор типа «Вектор-П». Так как датчик один и тот же, то можно создать компьютерную модель первичного преобразователя, которая позволяет учитывать собственные колебания датчика, тем самым повышая достоверность виброметрической информации и, как следствие, увеличивая вероятность правильного срабатывания системы ПАЗ.

4.3 Разработка компьютерной модели датчика абсолютной вибрации

Устройство и принцип действия датчика абсолютной вибрации рассмотрим на примере однокомпонентного акселерометра с пружинным подвесом чувствительного элемента (сейсмической массы). Структурная схема акселерометра приведена на рисунке 4.5.

Чувствительный элемент 3 подвешен в корпусе прибора при помощи пружины 2. Для демпфирования собственных колебаний чувствительного элемента используется воздушный демпфер 4. Выходной сигнал, пропорциональный измеряемому ускорению, снимается с пьезоэлемента 5 с помощью электродов. Осью чувствительности акселерометра является ось ОХ.

Принцип действия акселерометра основан на измерении силы инерции, развиваемой сейсмической массой при ее движении с ускорением.

Рассмотрим силы, которые прикладываются к сейсмической массе при вибрации агрегата. Для обобщения, направление ускорения агрегата по отношению к оси чувствительности выберем произвольным.

1 - корпус; 2 - пружины подвеса; 3 - сейсмическая масса; 4 - воздушный демпфер; 5 - пьезоэлемент

Рисунок 4.5 - Структурная схема акселерометра

Перемещение чувствительного элемента по отношению к исходному положению обозначим через Х. Силы, действующие на чувствительный элемент, показаны на рисунке 4.6.



Рисунок 4.6 - Силы, действующие на чувствительный элемент

Предположим, что агрегат движется с постоянным ускорением.

При движении агрегата с ускорением к сейсмической массе будут приложены силы:

- Fu - сила инерции, равная произведению массы ЧЭ на ускорение :

Fu = ; (4.2)

- Fy - упругая сила деформации пружины, равная произведению смещения пружины на коэффициент упругости:

Fy = Ky*X; (4.3)

- Gx - составляющая силы тяжести G вдоль оси чувствительности Х, равная произведению массы чувствительного элемента на ускорение свободного падения:

Gx = m*gx. (4.4)

Учтем направление сил и найдем сумму в проекциях на ось чувствительности.

-m* - Ky*x + m*gx = 0. (4.5)

Отсюда следует, что перемещение х чувствительного элемента равно

. (4.6)

В этом выражении величина называется «кажущимся» ускорением. Обозначим «кажущееся» ускорение через . Составим уравнение динамики акселерометра, отражающее поведение ЧЭ в переходных режимах. В этом режиме на ЧЭ действует сила инерции Fu и сила демпфирования

, (4.7)

где с - степень затухания.

С учетом сил, действующих на сейсмическую массу, уравнение динамики акселерометра может быть представлено в виде

, (4.8)

или в более удобной форме

. (4.9)

Уравнение (4.9) является основным уравнением динамики акселерометра линейных ускорений с поступательным перемещением чувствительного элемента. Метод описания линейных динамических объектов с помощью дифференциальных уравнений позволяет определять текущее значение выходного сигнала независимо от того, известно ли воздействие на всем временном интервале или значения входного воздействия появляются только с течением времени и его поведение в будущем неизвестно [8].

При исследовании динамики обычно используют уравнение в виде:

, (4.10)

где - собственная частота системы; (4.11)

- безразмерный коэффициент демпфирования (4.12)

Во время эксплуатации несбалансированного ротора в нем возникает центробежная сила, зависящая от неравномерности распределения массы относительно оси вращения и частоты его вращения:

Fцб = m*r*n2, (4.13)

где m - величина дисбаланса, кг;

r - расстояние от оси ротора, на котором расположен дисбаланс, м;

n - круговая частота ротора, с-1.

Центробежная сила вызывает вынужденные колебания конструктивных составляющих двигателя в поперечном сечении, которые могут быть описаны дифференциальным уравнением 2-го порядка. В газоперекачивающем агрегате движение конструкции, на которой установлен датчик, описывается как сумма гармонических колебаний разных частот, то есть в виде полигармонической вибрации:

; (4.14)

; (4.15)

F0 = Fцб/М, (4.16)

где x - виброперемещение, мкм;

t - время, с;

w0 - собственная частота колебательной системы датчика, с-1;

- фазовый сдвиг возникающего колебания относительно возмущающей силы, рад.;

F0 - амплитуда вынуждающей силы, H;

Fцб - центробежная сила, вызывающая вибрацию, H;

М - масса системы, участвующей в колебаниях, кг;

wn1 - частота вынуждающей силы, то есть частота вращения ротора, с-1;

wn2 -частота, кратная частоте вращения ротора, с-1.

Решение уравнение (4.15) представляет собой сумму свободных затухающих колебаний и вынужденных незатухающих колебаний:

. (4.17)

Первое слагаемое соответствует затухающим колебаниям в зависимости от демпфирующих сил и упругости системы датчика. Наличие небольших сил сопротивления вызывает постепенное уменьшение амплитуды колебаний и их затухание.

Таким образом, в устойчивых системах yсв(t) затухает с течением времени, поэтому определять движение системы через некоторое время будут чисто вынужденные колебания, описываемые вторым слагаемым. Вынужденная составляющая описывает установившийся процесс, соответствующий новому значению выходной величины.

Определим уравнение (4.15) относительно старшей производной:

. (4.18)

Создадим модель динамики акселерометра в программном пакете VisSim. Все операции в данном пакете проводятся с сигналами. Моделирование начинается с составления структурной схемы [9].

Зададим параметры системы. Укажем переменные, которым будем ставить в соответствие параметры механической системы датчика: k - коэффициент жесткости пружины; m - масса сейсмического элемента; c - степень затухания. Значение безразмерного коэффициента демпфирования d можно получить прямо в схеме моделирования, разделив при помощи блока «gain» имеющийся сигнал c/m на 2w0.

. (4.19)

Сигнал 2w0 получаем при прохождении сигнала w0 через блок «gain», что эквивалентно умножению.

Время, в течение которого затухает свободная составляющая сигнала, зависит от демпфирования системы. При недостаточном демпфировании свободная составляющая колеблется около нулевого значения, прежде чем его достигнуть. При достаточном демпфировании свободная составляющая имеет переходную характеристику, которая не колеблется и достигает нулевого значения за кратчайшее время. Это является идеальным для акселерометра.

Чем выше коэффициент упругости пружины и масса инерционного элемента, тем дольше затухает свободная составляющая сигнала. В то же время при слишком маленькой массе инерционный элемент будет слабо воздействовать на пьезоэлемент. Для оптимальных характеристик переходного процесса масса инерционного элемента должна быть в диапазоне от 20 до 80 г.

Примем массу чувствительного элемента датчика 25 г, коэффициент упругости пружины 15 Н/м, коэффициент затухания 0,9. Коэффициент затухания определяет интенсивность затухания колебательного процесса.

Блок параметров механической системы датчика представлен на рисунке 4.7.



Рисунок 4.7 - Блок параметров механической системы датчика

Для удобства работы со схемой можно воспользоваться функцией объединения блоков в один составной блок. Параметры колебательной системы датчика объединим в составной блок «Parametri».

Обратимся к дифференциальному уравнению (4.18). Чтобы получить искомый отклик системы на внешнее воздействие, необходимо получить x(t). Чтобы получить x(t), необходимо дважды проинтегрировать правую часть уравнения. Полученный после второго интегратора сигнал x(t) введем на вход первого интегратора. Для однозначного решения уравнения (4.18) должны быть определены начальные условия. Зададим начальные условия, из предположения, что в датчике уже имеются какие-то колебания, то есть x(0) = 0,1 и виброскорость в этот момент времени будет равна номинальному значению виброскорости корпуса агрегата, то есть (0) = 5. Структурная схема моделирования колебательной системы датчика представлена на рисунке 4.8.



Рисунок 4.8 - Структурная схема моделирования колебательной системы датчика

Чувствительный элемент датчика воспринимает внешнее воздействие (ускорение корпуса газоперекачивающего агрегата), которое описывается как сумма гармонических колебаний разных частот, то есть в виде полигармонической вибрации. Зададим внешнее воздействие F = 3,5Sin(320t) + + 3Sin(640t). Частоте вращения ротора 3000 об/мин соответствует круговая частота 320 с-1.

Блок задания внешнего воздействия изображен на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 - Блок задания внешнего воздействия

Для отображения текущей величины выходного сигнала используется блок «display». Чтобы приступить к моделированию, необходимо произвести установку параметров моделирования. Выберем шаг по времени 0,001 с, время моделирования 0,6 с.

Структурная схема моделирования вибрации ГПА приведена на рисунке 4.10. На входе датчика вибрации имеем внешнее воздействие (синяя линия на рисунке 4.10). Реакция (отклик) системы зависит от вынуждающей силы и конструктивных особенностей датчика вибрации (оранжевая линия на рисунке 4.10). Свободная составляющая решения уравнения (4.15) зависит только от конструктивных особенностей датчика и определяется в отсутствии внешнего воздействия (бордовая линия на рисунке 4.10). Таким образом, вынужденную (реальную) составляющую вибрации можно получить, отняв свободную составляющую, обусловленную влиянием датчика (которую можно определить, так как параметры механической системы датчика известны) от полученной реакции (отклика) системы. В начальный момент времени на датчик поступает полигармонический сигнал, что приводит к переходному процессу, длительностью примерно 0,225 с. На рисунке 4.10 видно, что фиолетовая линия (вынужденная составляющая) совпала с оранжевой линией (реакцией системы на внешнее воздействие), а свободная составляющая (бордовая линия) затухает примерно за 0,45 секунд.

Предложенная математическая модель позволяет анализировать вибрацию газоперекачивающего агрегата за счет вынужденной составляющей переходного процесса, обусловленной вибрацией самого агрегата, исключая свободную составляющую переходного процесса, обусловленную конструктивными параметрами датчика, тем самым снижая погрешность измерений и повышая достоверность виброметрической информации.

Решение и его компоненты показаны на рисунке 4.11.



Рисунок 4.10 - Структурная схема моделирования вибрации ГПА

Рисунок 4.11 - Решение и его компоненты

4.4 Расчет вероятности правильного срабатывания системы ПАЗ

Математическая модель может быть заложена во flash-память блока анализатора типа «Вектор-П» и использоваться контроллером для вычисления правильного значения виброскорости корпуса агрегата, тем самым повышая вероятность правильного срабатывания системы ПАЗ. Докажем это, рассчитав вероятность срабатывания при использовании ранее стоящей аппаратуры контроля вибрации типа «ИВ-Д-ПФ» и нового анализатора типа «Вектор-П» [10].

Виброконтроль в системе противоаварийной защиты имеет подсистему мгновенного закрытия стопорного клапана при превышении аварийной уставки вибрации.

Расчет вероятности правильного срабатывания системы ПАЗ при использовании аппаратуры контроля типа «ИВ-Д-ПФ».

Функциональная схема противоаварийной защиты канала абсолютной вибрации силовой турбины приведена на рисунке 4.12.

. (4.20)

Интенсивность отказа элементов системы ПАЗ по вибрации приведена в таблице 4.2 [11]:

Таблица 4.2 - Интенсивность отказов элементов системы ПАЗ

Элемент аппаратуры ИВ-Д-ПФ	Интенсивность отказов, 1/ч
Пьезодатчик	0,81·10-6
Источник питания	0,351·10-6
Аппаратура типа «ИВ-Д-ПФ»	0,87·10-6
Стопорный клапан	0,26·10-6
Анализатор типа «Вектор-П»	0,341·10-6



Рисунок 4.12 - Функциональная схема противоаварийной защиты канала абсолютной вибрации силовой турбины

Подставив значения интенсивности отказов компонентов в формулу (4.20), получаем:

= (0,81+0,87+0,26+0,351)·10-6=2,291·10-6 1/ч

Вероятность правильного срабатывания:

P(t+?t) = P(40000) = = 0,9.

Расчет вероятности правильного срабатывания системы ПАЗ при использовании анализатора вибрации типа «Вектор-П».

Согласно формуле (4.20) интенсивность отказов датчика находится следующим образом:

(4.21)

Подставив значения интенсивности отказов элементов, получим значение интенсивности анализатора:

= (0,81+0,341+0,26+0,351)·10-6=1,762·10-6 1/ч

Вероятность правильного срабатывания:

P(t+?t) = P(40000) = = 0,94.

Таким образом, разработанная компьютерная модель пьезоэлектрического акселерометра, при применении в контроллере анализатора типа «Вектор-П», позволяет повысить достоверность виброметрической информации, тем самым увеличивая вероятность правильного срабатывания системы ПАЗ по вибрации.

Из расчетов видно, что вероятность правильного срабатывания системы противоаварийной защиты при применении анализатора типа «Вектор-П», позволяющего благодаря встроенному контроллеру учитывать конструктивные особенности датчика вибрации, выше системы вибромониторинга типа «ИВ-Д-ПФ».

5. Охрана труда и техника безопасности

Темой данного дипломного проекта, как уже отмечалось ранее, является автоматизация газоперекачивающего агрегата ГПА-16Р «Уфа» на КС «Москово». Газоперекачивающие агрегаты ГПА-16Р «Уфа» входят в состав компрессорного цеха КС-18А.

Для обеспечения безопасности производства при монтаже, эксплуатации и ремонте средств автоматизации на КС-18А, в данном разделе необходимо дать характеристику производственной среды и произвести анализ производственных опасностей и вредных факторов. Безопасность производства и экологическая безопасность должны соблюдаться при всех видах работы, связанных с монтажом, эксплуатацией и ремонтом средств автоматизации на КС-18А.

Несоблюдение требований производственной безопасности на производстве при монтаже, эксплуатации и ремонте средств автоматизации может привести к производственным травмам.

Вследствие того, что КС является вредным и опасным производственным объектом, в данном разделе будут рассмотрены мероприятия по безопасной эксплуатации средств автоматизации [12].

5.1 Анализ потенциальных опасностей и производственных вредностей на объекте

При монтаже, наладке и эксплуатации средств автоматизации на компрессорной станции «Москово» производственные опасности и вредности могут быть обусловлены следующими факторами:

- отравление вредными веществами природного газа;

- возможность взрыва и пожара при неисправностях и авариях, в результате возникновения смеси перекачиваемого газа с воздухом, нижний предел взрываемости которой - 5%, верхний - 15%, согласно ПОТ Р М-026-2003 «Межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации газового хозяйства организаций» (классификация производств по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасностям приведена в таблице 5.1);

- поражение электрическим током до 1 кВ в результате соприкосновения с токоведущими частями, при монтаже, ремонте и эксплуатации средств автоматизации в летний период времени;

- опасность прямых ударов молнии, что может привести к пожару и поражению обслуживающего персонала на компрессорной станции;

- опасность получения механических травм у обслуживающего персонала при проведении работ по монтажу, наладке и ремонту измерительных преобразователей;