Министерство образования и науки Российской Федерации

 

САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 


Приоритетный национальный проект «Образование»

Национальный исследовательский университет

 

 

 

 


В. В. РЫБАЛКО

 

 

 

ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ДИАГНОСТИКА
ТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

 

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров

«Техническая физика»

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2012

 

Список принятых сокращений

 

АП – авиационные правила эксплуатации

АСУ – автоматическая система управления

АРТ – автоматический распределитель топлива

БПФ – быстрое преобразование Фурье

ГТГ - газотурбогенератор

ГТД – газотурбинный двигатель

ГТУ – газотурбинная установка

ДП – диагностический параметр

КВД– компрессор высокого давления

КНД – компрессор низкого давления

ЛПР – лицо принимающее решение

ЛСУ – локальная система управления

ММ – математическая модель

НТД – нормативно-техническая документация

ОЭ – объект эксплуатации

СМО – система массового обслуживания

СОЭ – система обеспечения эксплуатации

СТД – система технического диагностирования

СТО – система технического обслуживания

ТВД – турбина высокого давления

ТК - турбокомпрессор

ТО – техническое обслуживание

ТС - техническое состояние

ТУ – турбинные установки

ЭВМ – электронно-вычислительная машина

 

 

 

 

 

Введение

 

Турбинные установки в составе паротурбинных или газотурбинных энергетических объектов занимают важное место, как основой источник генерации механической, электрической, а иногда и тепловой энергии. Современные турбинные установки (ТУ) представляют собой сложную техническую систему с высокой напряжённостью рабочего процесса. Достаточно отметить, что в современных газотурбинных установках (ГТУ) в одном условном кубическом метре конструкции генерируется до 3,5 МВт энергии. Возможность выполнения определенных функций ТУ (или нескольких сразу) закладывается при проектировании, обеспечивается при создании и реализуется в процессе её использования по назначению.

В современной промышленной и транспортной энергетике всё большее применение находят газотурбинные установки, которые обладают рядом важных достоинств. Такие установки в полной мере подходят под определение сложных технических систем.

В системном анализе под системой принято понимать совокупность подсистем (элементов), объединенных функционально или конструктивно в соответствии с определенным алгоритмом взаимодействия при выполнении конкретной задачи в процессе применения по назначению. Полное определение сложной системы отсутствует. Поэтому часто пользуются косвенными признаками:

участием в системе людей, машин, внешней среды, а также наличием в ней возмущающих факторов;

наличием подсистем, имеющих содержательный характер;

иерархической структурой управления с вертикальными и горизонтальными связями;

наличием достаточного разнообразия состояний и большого числа внутренних связей в каждой подсистеме между ее элементами.

Сложные технические системы - обычно развивающиеся. Упорядоченная совокупность фаз развития системы называется жизненным циклом. Основные его стадии (этапы):

замысел, прогнозирование и принятие решения;

планирование, конструирование и испытание;

подготовка и серийное производство;

эксплуатация (может быть с периодической модернизацией);

снятие с эксплуатации.

Опыт создания и использования многих сложных технических систем показывает, что эффективность их функционирования зависит от оптимального управления всеми стадиями жизненного цикла. Одним из важных этапов жизненного цикла энергетических объектов с ТУ, требующих непрерывного управления, является эксплуатация.

Эксплуатация - это стадия жизненного цикла с момента принятия ТУ от завода-изготовителя или ремонтного предприятия, являющаяся совокупностью ввода в эксплуатацию, приведения в установленную степень готовности к использованию по назначению, поддержания в установленной степени готовности к этому использованию, использования по назначению, хранения и транспортирования. Заканчивается эксплуатация демонтажем ТУ, списанием и утилизацией. Изучением процесса эксплуатации сложных систем занимается теория эксплуатации. Это сравнительно новое научное направление в технической кибернетике, которое возникло на основе теории надежности, теории массового обслуживания, теории восстановлений и методологии системного анализа.

Эксплуатация сложных технических систем (объектов) - это непрерывный процесс, включающий мероприятия по плановому, непрерывному влиянию на объект (управлению) для достижения назначенного эффекта. Такому управлению должен подвергаться не только объект, но также все элементы системы обеспечения эксплуатации техники, структура которой показана на рис.1В. Система обеспечения эксплуатации представляет собой совокупность взаимосвязанных изделий (объектов) техники, средств их эксплуатации, исполнителей и документации, взаимодействие которых происходит в соответствии с задачами каждого этапа эксплуатации. Как будет отмечено ниже (см.п.п. 1.2, 1.3, 3.1, 3.4) эффект эксплуатации в значительной мере зависит от успешности функционирования системы технического обслуживания (СТО) и системы технического диагностирования (СТД) объекта. Разработке таких систем при проектировании ТУ обычно уделяют значительное внимание.

Рис.1В. Структура системы обеспечения эксплуатации технических объектов

 

Существует определенная специфика процесса эксплуатация сложных технических систем, в том числе ТУ. Процесс эксплуатации энергетических установок является целенаправленным и управляемым, целенаправленность определяется показателем назначения и обеспечивается функционированием не только объекта эксплуатации (ОЭ), но и всей системы обеспечения эксплуатации.

Как отмечено выше, система обеспечения эксплуатации (СОЭ) может содержать несколько объектов, а также множество людей и различных устройств (ЭВМ, вспомогательной техники и т.д.). Системы, в которых человек принимает непосредственное участие, называются эргатическими. Необходимость присутствия человека в системе обеспечения эксплуатации вызывается следующим:

человек задает цель функционирования, как объекта эксплуатации, так и системы обеспечения эксплуатации и управляет ими для достижения этой цели;

 в силу многих причин ОЭ не может быть абсолютно надежным, поэтому требуется вмешательство оператора для контроля, диагностики, поиска и устранения неисправностей;

 из-за неполноты и несовершенства наших знаний о всех процессах в объекте эксплуатации во внешней среде могут возникнуть ситуации, которые называются алгоритмически неразрешимыми т.е. решение таких задач без участия человека даже с использованием самых совершенных ЭВМ невозможно.

Для эргатических систем характерны три вида человеческой деятельности, существенно различающихся между собой:

операторная, которая заключается в поддержании техники в исправном состоянии и использовании ее в строгом соответствии с априорными правилами;

руководящая, связочная с обучением, воспитанием и организацией деятельности операторов по обеспечению успешного функционирования техники;

оперативная, связанная с организацией взаимодействия объектов эксплуатации, людей, вспомогательных технических средств, систем обеспечения, материально-технического снабжения и т.д.

Высшей формой оперативной деятельности человека в эргатических системах является руководяще-оперативная, которая характеризуется значительными потоками перерабатываемой информации и материальных средств. Ошибки в решениях, принимаемые на этом уровне деятельности человека, как правило, приносят наибольший ущерб.

Оператор в эргатических системах выполняет интеллектуальные, волевые и эффекторные функции, которые сводятся к следующему:

восприятие, упорядочение и выявление расхождений в поступающей информации о работе объекта эксплуатации (интеллектуальная функция);

оценка технического состояния объекта, анализ вариантов возможных решений и выбор оптимального (интеллектуальная функция);

принятие решения (волевая функция);

реализация решения путем воздействия на объем эксплуатации (эффекторная функция).

В связи с тем, что в сложных технических системах процессы могут протекать со скоростью, в несколько раз превышающей скорость мышления, возникает проблема передачи возможно большего числа функций управления техническим средством - проблема автоматизации.

Несмотря на имеющиеся достижения в создании технических средств автоматического управления объектами эксплуатации, роль оператора в эргатических системах не снижается. Наоборот, имеются научно обоснованные требования к основным эргономическим свойствам операторов для современных технических систем. Основными из них являются: надежность; профессиональная пригодность, психофизиологическая устойчивость, величина реакции, объем оперативной памяти и т.д.

В силу особой важности всех перечисленных эргономических свойств операторов обязательным является их профессиональный отбор и специальная подготовка, которые должны вестись постоянно, весь период эксплуатации технических систем.

Система обеспечения эксплуатации, в целом характеризуется показателями основных свойств: эффективности, готовности, экономичности, сложности.

По отдельным показателям или по их совокупности принимается решение о пригодности той или иной СОЭ для обеспечения успешного функционирования объекта эксплуатации, т.е. для достижения поставленной цели.

Вопросами построения и оптимизации структуры системы обеспечения эксплуатации, взаимосвязи между отдельными её элементами и разработкой требований к ним занимается теория эксплуатации,

В общем можно отметить, что теория эксплуатации рассматривает наиболее общие вопросы управления системой обеспечения эксплуатации. Причем под управлением здесь понимается целенаправленная деятельность по переводу системы в желаемое состояние.

Учебное пособие направлено на формирование у студентов системы знаний и получения ими практических навыков по решению задач управления эксплуатацией сложными объектами энергетики. К таким объектам, несомненно, относятся турбомашины и турбинные установки промышленных ТЭЦ, ГРЭС и других объектов, генерирующих тепловую и электрическую энергию.

Часто задачи управления эксплуатацией энергетических объектов в технической документации выделяются упрощённо. Это затрудняет принятие оптимальных (или, хотя бы, рациональных) решений по обеспечению надёжной и экономичной эксплуатации таких объектов.

Как уже отмечалось, современная энергетика характеризуется высокой напряжённостью рабочих процессов: - повышенными давлениями и температурами рабочих сред; - высокими частотами вращения роторов; - значительными быстродействиями переходных процессов. При возникновении нештатных ситуаций специалист должен своевременно принимать качественные и обоснованные решения. Для принятия таких решений иногда остаётся минимальное время.

Учебное пособие направлено на формирование знаний и умений будущих специалистов по принятию оперативных управленческих решений. При наличии знаний и соответствующих практических навыков вероятность принятия специалистом правильных решений, несомненно, повышается. Тезис «нет ничего практичнее хорошей теории» полностью относится к содержанию изучаемой дисциплины и данного учебного пособия.

При написании учебного пособия были использованы основные положения нормативных документов, а именно международных стандартов класса ISO и федеральных стандартов серии ГОСТ 27.000-00.

Материал учебного пособия предполагает наличие у обучаемого уверенных знаний по физическим процессам в объектах энергетики, умения использовать современные методы анализа экспериментальных данных и проведения вычислительных экспериментов.

Структура учебного пособия выполнена таким образом, чтобы у обучаемых постепенно накапливались знания и вырабатывались практические навыки по оценке показателей надёжности при проектировании и на основе эксплуатационной информации энергетических объектов, планированию регламентных работ, расчёта потребного комплекта запасных частей.

Важной задачей, частично решаемой в учебном пособии, является проблема технического диагностирования энергетических объектов. Главы 2 и 3 посвящены актуальным вопросам контроля и оценки технического состояния объектов с использованием эксплуатационных параметров. Практическая направленность изложенных методов контроля ТС даёт обучаемому уверенные навыки при принятии решения по обеспечению надёжной эксплуатации объектов тепловой энергетики.

В дисциплине «Эксплуатация и диагностика турбинных установок» предусмотрено, что примерно 40 % учебного времени отводится на расчётные работы, имеющие сугубо практическую направленность. Для выполнения этих работ обучаемый должен уверенно владеть современными информационными технологиями и соответствующей вычислительной техникой. Выполнение практических работ предполагает использование современных математических пакетов MathCAD и Statistica для персональных компьютеров.

Методические особенности учебного пособия позволяют студенту самостоятельно изучать отдельные разделы при соответствующей консультативной помощи преподавателя.

Контроль знаний обучаемых осуществляется при защите практических работ (рубежный контроль) на семестровом экзамене (текущий контроль). Экзамен должен содержать практические вопросы, для ответа на которые требуется выполнить определённые расчёты.

Знания, полученные при изучении данной дисциплины, могут быть использованы в курсовом и дипломном проектировании, а также в практической деятельности выпускника.

 

 

Назад