Безотказность и диагностика газотурбинных установок

Аннотация

В монографии рассмотрены проблемы безотказности газотурбинных энергетических установок в эксплуатации и задачи их параметрического диагностирования. Приведены методики расчёта показателей безотказности установок в процессе эксплуатации, а также процедуры диагностирования на основе прогноза трендов и многомерного статистического анализа параметров. Особенностью изложения указанных вопросов является широкое использование современных информационных технологий на основе интегрированных математических пакетов Mathcad и Statistica. Даны примеры использования расчётных методик для решения практических задач параметрического диагностирования на основе анализа эксплуатационных данных. Предложена методика оценки качества систем технического диагностирования на этапе проектирования установок и в эксплуатации. Монография рассчитана на специалистов научных организаций, аспирантов и студентов старших курсов, обучающихся и решающих практические задачи оценки технического состояния сложных объектов в эксплуатации. Многие разделы монографии могут быть полезны проектантам ГТУ, а также инженерам-механикам, эксплуатирующим установки. Ил. 84, табл.10, библиогр.: 51 назв. Рецензент: кафедра энергетических установок (корабельных) Военно-морской академии им. Н.Г. Кузнецова (начальник кафедры энергетических установок, кандидат технических наук Е.В. Цыбульский)

Введение

Мировая энергетика в конце ХХ века столкнулась с необходимостью научиться создавать относительно недорогие машины с высокими техническими и совершенными экологическими параметрами. Эта потребность во многом обусловлена надвигающимся дефицитом органического топлива, а также ужесточением требований к уровню загрязнения окружающей среды.
Анализ тенденций развития энергетических машин свидетельствуют о том, что наиболее совершенные установки могут быть созданы с использованием газотурбинных технологий. Вполне обоснованно многие специалисты по энергетике считают XXI век - веком газотурбинных технологий.
Это мнение основывается на:
      -высокой энергоёмкости газотурбинных установок, характеризуемой удельной мощностью 1-3 МВт/м3 (1-2 МВт/т) и значительной агрегатной мощностью (10 - 800 МВт);
      -высоком КПД на режимах номинальной нагрузки (55 - 60 % и более в сложном и бинарном циклах, рис.1.1);


Рис.1.1.Тенденции изменения коэффициентов полезного действия энергетических установок

      -высокой манёвренности и готовности к действию (экстренное приготовление к действию 20-30 мин, время запуска 5-10 мин, время выхода на номинальный режим 15-20 мин);


Рис.1.2. Заказы и производство энергетических ГТУ в США и Канаде

      -высокой автоматизации процессов управления, малой трудоёмкости технического обслуживания, высокой ремонтопригодности.
      Энергетические программы промышленно развитых стран мира конца ХХ века (рис.1.2) и на первую половину XXI века подтверждают тенденцию широкого использования ГТУ для выработки энергии.
      В середине прошлого столетия были достигнуты значительные успехи в развитии газотурбинных двигателей в военной авиации. Это обуславливалось как политическим противостоянием двух мировых систем, так и борьбой за освоение газотурбинных технологий, свидетельствующих об уровне развития технического потенциала стран.
      В разработке и создании газотурбинных двигателей третьего поколения принимали участие четыре страны: СССР, США, Франция, Англия; двигателей четвертого поколения - только три, а двигателей пятого поколения - всего две: Россия и США.
      К работам по созданию двигателей шестого поколения приступили только в США. Объясняется это тем, что затраты на создание двигателей "нового поколения" очень велики. Однако эти затраты оправдываются тем, что газотурбинные технологии станут основой дальнейшего развития индустрии высокоразвитых промышленных стран мира на ближайшие 50 лет.
      Известно, что промышленное применение газовых турбин началось с конверсии авиационных ГТД, но в настоящее время промышленная газотурбинная техника во всем мире развивается более интенсивно. Это привело к тому, что отработка самых передовых газотурбинных технологий зачастую опережает развитие авиационных двигателей, являясь базой уже для совершенствования авиации.
      В 1992 году в США была принята программа "Advanced Turbine System" (ATS) - "Передовые турбинные системы" с целью создания ГТУ с КПД простого цикла 40 %, в комбинированном цикле - 60%; снижения эмиссии NOx до уровня не более 9 ррm, а СО - не более 20 ррm за свободной турбиной без внешних систем подавления вредных выбросов при сохранении или повышении уровня надежности. Прошедшие годы показали, что эта программа во многом выполнена.
      На мировом энергетическом рынке широко представлены компании GE, Rolls-Royce, ABB, Siemens, Solar Turbines, Mitsubishi Heavy Industries Europe и ряд других фирм. Более 40 лет на мировом рынке промышленных газовых турбин лидирует компания General Electric Power Systems (около 50 % мирового рынка газовых турбин).
      Многие транснациональные компании проникают в газотурбинную промышленность Российской Федерации, покупая акции ведущих двигателестроительных фирм. Так, например, компания Pratt & Whitney, признанный производитель авиационных двигателей, приобрела пакет акций одного из ведущих российских предприятий ОАО "Пермские моторы", а фирма Siemens - акции "Силовых машин". Большой вклад в развитие газотурбинной энергетики вносят отечественные авиационные конструкторские бюро и производства "Сатурн", КБ им Н.Д. Кузнецова и др.
      В целом все фирмы, разрабатывающие передовые газовые турбины, отличает стремление повысить характеристики двигателей за счет улучшения параметров цикла, развития технологий горения для снижения эмиссии оксидов азота и углерода, применять альтернативные виды топлива, внедрять программы улучшения уже созданной продукции.
      Реализацию этих усилий можно проследить по изменению основных параметров ГТУ: температуры газов после камеры сгорания и степени повышения давления (рис.1.3). Эти параметры из года в год растут, обеспечивая тем самым высокую экономичность установок.


Рис.1.3. Тенденции изменения параметров ГТУ
а - температура газов; б - степень повышения давления

      Развитие ГТУ идёт не только по пути повышения экономичности, но и увеличения их надёжности.
      Для реализации в конкретных двигателях и установках этих тенденций на всех этапах развития ГТУ приходилось решать сложные проблемы их проектирования, создания и эксплуатации. Эти проблемы возникают и при проектировании газотурбинных установок, например, когда требуется обеспечить заданную долговечность горячих деталей (50?100 тыс. ч) при высоких температурах (1200 °С и более) и давлениях газа (до 3,0 МПа), а также при частотах вращения роторов 150-300 Гц.
      Если учесть при этом нагрузки на вращающиеся детали от центробежных сил, изгибающих сил газового давления, а также циклические термические нагрузки и агрессивную среду циклового воздуха, то становится понятно, насколько сложная задача стоит перед проектантами при выборе материалов, расчётах на прочность деталей и при выборе оптимальных схем и соответствующих параметров установок.
      Следует ожидать, что в ближайшем будущем при проектировании будут реализованы следующие перспективные решения:
    1. Технология объёмного компьютерного проектирования лопаток и ступеней компрессоров позволит достичь высоких степеней повышения давления в одной ступени (до 3,5).
    2. Усовершенствование уплотнений позволит резко уменьшить утечки рабочего тела и повысить КПД.
    3. Создание новых материалов и защитных покрытий отодвинет пределы высокотемпературной коррозии металлов.
    4. Новые технологии охлаждения горячих деталей (например, охлаждение лопаток турбины паром) позволит создавать турбины с температурой газа около 2000 °С.
    5. Высокие температуры газа в турбине в настоящее время обеспечиваются монокристаллическими лопатками, защитными покрытиями и соответствующими системами охлаждения. Известно, что если из цикла отбирается более 8 % общего расхода воздуха, то теряются все преимущества от повышения температуры газа. Паровое охлаждение считается самым перспективным, так как температура воздуха после компрессора может достигать 850 °С, что требует его дополнительного охлаждения перед подачей в охлаждающие каналы турбин. Паровое охлаждение особенно удобно в комбинированных установках, где пар используется в качестве рабочего тела. Впрыск всего 5 % пара к воздуху даёт в итоге 12 % дополнительной энергии. В то же время при подаче пара в КС снижается пропускная способность турбины и возможно снижение запаса устойчивости компрессора.
      Кроме известных в настоящее время защитных покрытий - термобарьерных на основе ZrO2-Y2O3 толщиной 100-300 мкм, диффузионных и плазменных - разрабатываются новые алитирующие покрытия толщиной 25-75 мкм с добавлением платины, что увеличивает стойкость к коррозии.
    6.  Внедрение сухих камер сгорания, ликвидация проблемы вибрационного горения, новые технологии горения позволят получить NOx < 9 ppm. Это потребует увеличения числа форсунок в 5-10 раз. Их число может достигать 200 шт., расположенных тремя кольцами, которые подключаются по мере выхода ГТУ на полную мощность. Соответственно, усложняется система автоматического регулирования на режимах пониженной мощности. Коэффициент избытка воздуха в зоне горения будет увеличиваться до трех. Постоянное воспламенение топлива будет обеспечиваться дежурной постоянно работающей форсункой с небольшим расходом топлива, а не циркуляцией воздуха, как это делалось ранее. В газотурбинных установках преимущественно будут применяться кольцевые камеры сгорания. Однако в таких КС для уменьшения выхода других вредных примесей (CO2 , CO, несгоревших углеводородов) требуется длинная камера смешения и высокая температура, что противоречит предыдущим конструктивным решениям.
    7.  Перспективные системы управления будут основываться на новых приборах и средствах контроля: пирометрах для измерения температуры металла, а не газа; датчиках динамического давления для регистрации пульсаций потока в компрессоре и в камере сгорания; акселерометрах для определения высокочастотных колебаний лопаток и предотвращения их разрушения.
    8.  Встроенная система мониторинга и диагностирования параметров на основе нейросетевых технологий будет обеспечивать продление срока службы ГТУ, увеличение межремонтного срока, экономию топлива.
    9. Существуют определённые проблемы в производстве газотурбинных двигателей, которые связаны с технологией изготовления и испытания отдельных деталей, узлов и агрегатов. Современное газотурбостроение - это высокоточные технологии прецизионного литья с управляемым процессом кристаллизации, электрохимическая обработка сложных трёхмерных криволинейных поверхностей, порошковая металлургия и многое другое. Для снижения вибронагруженности деталей все роторы двигателей подвергают динамической балансировке на рабочих частотах вращения, что требует специальных энергоёмких станков с компьютерным управлением. Термическая обработка деталей и нанесение сложных многокомпонентных защитных покрытий (например, Co-Cr-Al-Y) является обязательным этапом в технологии защиты лопаток турбины от агрессивного воздействия продуктов сгорания и примесей в цикловом воздухе.

      Специфические проблемы при создании эффективных ГТУ возникают в процессе их испытаний и проверки требуемых заказчиком показателей безотказности и долговечности. Часто на стенде невозможно воспроизвести все условия эксплуатации установок в реальных условиях. Поэтому требуется разработка специальных программ, например, на основе методов эквивалентных ускоренных испытаний. Для принципиально новых установок разработка таких программ представляет собой сложную задачу с невысокой вероятностью их достоверного решения [21].
      Разработка новых ГТУ с повышенными параметрами рабочего тела неизбежно потребует на новом уровне решать проблемы их надёжности. За прошедшие годы надёжность ГТУ различного назначения постоянно повышалась за счёт совершенствования конструкций, применения новых материалов, улучшения технологии изготовления. Однако постоянно растущие требования к безотказности установок, разработка мероприятий по обеспечению безопасности объектов энергетики вызывают необходимость совершенствовать методы контроля и диагностики для предотвращения аварий с тяжёлыми последствиями.
      Разработка эффективных систем технического диагностирования не только может повысить безотказность установок за счёт раннего обнаружения предпосылок к отказам, но и даст значительную экономическую выгоду при сокращении внеплановых простоев [24,25,27-30].
      Таким образом, технический прогресс в энергетике, связанный с развитием газотурбинных технологий, требует комплексного (системного) подхода к решению проблем безотказности создаваемых установок и их диагностирования в процессе эксплуатации. При этом необходимо ориентироваться как на требования к разрабатываемым установкам, так и на опыт эксплуатации уже существующих ГТУ.
      При разработке материала настоящего издания автор базировался не только на личном опыте эксплуатации газотурбинных установок, но и на обширной литературе по проблемам надёжности и диагностирования, а также на впечатлениях от общения с видным специалистом в области надёжности и обаятельным человеком профессором И.А. Рябининым. Безусловно, монография не могла бы возникнуть без наличия фундаментальной подготовки, которую обеспечила кафедра паровых и газовых турбин Военно-морской академии.
      На структуру монографии и её содержание оказало влияние обсуждение многих вопросов с коллегами кафедр энергетических установок Военно-морской академии, теплосиловых установок и тепловых двигателей Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров, судовых турбин и турбинных установок Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, газотурбинных установок Военно-морского инженерного института, за что им автор безмерно благодарен. Особая благодарность коллеге по кафедре академии, доценту Н.А. Марчукову, который традиционно читает рукописи автора и делает важные и ценные замечания не только содержательного, но и стилистического характера.
      Учитывая изложенное, автор не удивится, если внимательный читатель обнаружит в этом издании некоторые достоинства. В то же время, имеющиеся недостатки, которые автор полностью относит на свой счёт, могут служить основанием для конструктивной критики, обеспечивающей дальнейшее развитие важных проблем обеспечения безотказности сложных технических объектов.

      Написание данной монографии потребовало определённых усилий и соответствующих затрат времени, а также выдержки, терпения и понимания со стороны моей семьи, за что автор бесконечно признателен, прежде всего, жене - Галине.

Назад