PL239694B1 - Sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym.

Praca niestateczna maszyn sprężających - przede wszystkim sprężarek, ale również dmuchaw i wentylatorów, objawia się cyklicznymi pulsacjami ciśnienia oraz przepływu. Towarzyszą temu wibracje oraz podwyższony poziom hałasu. W ekstremalnym przypadku następuje okresowo powtarzające się zjawisko zwrotnego przepływu czynnika zwane pompowaniem twardym sprężarki. Podczas pompowania występują znaczne naprężenia w jej elementach konstrukcyjnych, które są jedną z częstych przyczyn awarii tych maszyn. Cyklicznie przemieszczające się fluktuacje czynnika w kierunku osiowym wytwarzają obszary o dużych gradientach ciśnień powodując powtarzające się naprężenia w łopatkach sprężarki, które mogą powodować zmęczeniowe zniszczenie materiału.

Systemy sprężające są projektowane w taki sposób, aby punkt pracy systemu leżał w zakresie pracy stateczniej po prawej stronie tzw. granicy pompowania wyznaczanej na wykresie pracy sprężarki. Jednak niewielkie zaburzenie warunków pracy może spowodować przesunięcie punktu pracy sprężarki do obszaru niestateczności. Aby temu zapobiec, należy z pewnym wyprzedzeniem, czyli wówczas, gdy punkt pracy znajduje się w obszarze marginesu bezpieczeństwa, uruchomić tzw. instalację antypompażową. Zadaniem tej instalacji jest przesunięcie punktu pracy sprężarki dalej od strefy niebezpiecznej.

Innym zjawiskiem obserwowanym w sprężarkach w warunkach niedoboru strumienia masy czynnika są oderwania strumienia od łopatek wirnika w sprężarkach osiowych, czy oderwania od łopatek wirnika i dyfuzora w sprężarkach promieniowych. Oderwania te formują się w tzw. oderwania wirujące przemieszczające się w kierunku obwodowym. Oprócz typowych oderwań wirujących obserwowane są również oderwania przemieszczające się w kierunku przeciwnym do obrotów wirnika.

Jednym z pierwszych sygnałów niestatecznej pracy sprężarki, szczególnie w sprężarkach promieniowych z wirnikami typu lotniczego, jest pojawienie się tzw. recyrkulacji wlotowej, zjawiska polegającego na powstaniu zawirowania strumienia wlotowego przed krawędzią natarcia łopatek wirnika. Istnieje również wiele innych lokalnych zjawisk poprzedzających pompowanie o różnym położeniu i intensywności w zależności od typu koła wirnikowego, geometrii i warunków pracy maszyny.

Szczególnie groźne dla pracy układu sprężającego jest zjawisko pompowania. Istnieje wiele opatentowanych rozwiązań pozwalających na jego wykrycie.

Z chińskiego zgłoszenia patentowego CN103225621A znany jest sposób monitorowania niestatecznych układów sprężających, w którym różnicę między stanami pracy określa się na podstawie różnicy ciśnień w przypadku pracy stabilnej i niestabilnej.

W amerykańskim zgłoszeniu patentowym US4940391A ujawniono sposób opierający się na pomiarze parametrów silnika napędzającego kompresor; pojawienie się cyklicznych zmian obciążenia silnika może być wskaźnikiem pompowania.

Istnieją również rozwiązania pozwalające na wykrywanie i reakcję, w przypadku wykrycia pojawienia się niestabilności lub kontrolę systemu, jeśli takowa niestabilność się pojawi.

W sposobie opisanym w kanadyjskim zgłoszeniu CA2826299A1 w celu wykrycia niestabilności korzysta się z porównywania sygnału ciśnienia (funkcji ciśnienia w czasie) z wzorcowym sygnałem ciśnienia. Podobieństwo sygnałów powoduje otwarcie zaworu, mające zapobiec wystąpieniu pompowania.

Z kolei w amerykańskim patencie US8516815B2 ujawniony został sposób oparty o pomiar energii ciśnienia w pewnym zakresie częstotliwości. Zgłoszenie to dotyczy systemu składającego się ze sprężarki oraz turbiny.

Ponadto w międzynarodowym zgłoszeniu WO2013015885A1 ujawniono rozwiązanie wykorzystujące pomiar drgań na łożyskach magnetycznych maszyny (wymagana jest obecność łożysk magnetycznych) w zakresach częstotliwości odpowiadających niestabilnościom przepływowym. W przypadku przekroczenia założonego progu pojawia się alarm, a system wykonuje działania pozwalające na zaniknięcie niestabilności.

Podobnie, istnieje wiele znanych rozwiązań pozwalających na wykrycie oderwania wirującego i zmianę parametrów systemu w celu jego wyeliminowania lub stopniową zmianę parametrów, która pozwala na uniknięcie oderwania wirującego.

Patent amerykański US6857845B2 dotyczy sposobu wykrywania oderwania wirującego w dyfuzorze opartego na pomiarze energii akustycznej, filtrowaniu, odtwarzaniu i ponownym filtrowaniu. Finalna

PL 239 694 Β1 otrzymana wartość jest porównywana z założoną wartością graniczną. W przypadku przekroczenia wartości granicznej, system dostosowuje parametry pracy tak, a żeby oderwanie wirujące zanikło.

Z kolei metoda wykrywania oderwania wirującego oparta na pomiarze energii pierwszego zakresu częstości oderwania wirującego i drugiego zakresu częstości oderwania wirującego została ujawniona w patencie amerykańskim US8337144B2. W metodzie tej poprzez porównanie różnicy energii w pasmach z wartością kontrolną określa się występowanie i intensywność oderwania wirującego.

W rozwiązaniu według US7972105B2 podczas rozruchu maszyny wykorzystuje się łopatki kierownicy oraz zawory upustowe do stopniowego zmieniania parametrów w celu uniknięcia lub zminimalizowania ryzyka wystąpienia oderwania wirującego podczas rozruchu i zatrzymania maszyny. Rozwiązanie to odnosi się do turbin gazowych.

Z kolei w patencie europejskim EP0597440B1 omówiono wykorzystanie skrętnych łopatek kierownicy do uniknięcia powstania oderwania wirującego w sprężarce. Zmiana kąta powoduje zmianę warunków przepływu, co uniemożliwia powstanie oderwania wirującego.

Istnieją również rozwiązania pozwalające na wykrywanie zjawiska recyrkulacji wlotowej lub zapobiegające jego powstawaniu.

Wykrywanie recyrkulacji wlotowej poprzez pomiar prędkości osiowej na wlocie do sprężarki i wykrywanie obniżenia prędkości wlotowej lub zmiany zwrotu wektora prędkości zostało ujawnione w patencie amerykańskim US6981838B2.

Z kolei w rozwiązaniu według patentu amerykańskiego US6945748B2 zastosowano dodatkowy element w sekcji wlotowej kompresora przyczyniający się do ograniczenia występowania recyrkulacji wlotowej.

Celowym jest zatem opracowanie sposobu pozwalającego na wykrycie wszystkich niestacjonarnych struktur przepływowych w układzie sprężającym, w tym zwłaszcza pompowania, oderwania wirującego, recyrkulacji wlotowej.

Sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym według wynalazku polegający na czasowym pomiarze przynajmniej jednej wielkości fizycznej charakteryzującej układ sprężający w funkcji czasu s(t) , gdzie uzyskany z pomiaru sygnał podlega empirycznej dekompozycji modalnej polegającej na podziale sygnału na skończoną ilość składowych funkcji modalnych i reziduum, po czym wylicza się moc P_Cj poszczególnych składowych funkcji modalnych wedle wzoru:

gdzie:

- Ci(m) oznacza m-tą wartość dla otrzymanej funkcji Ci(i)

M oznacza wielkość okna kontrolnego wybraną dla analizy parametru, która może przyjmować dowolną wartość a następnie wyznacza się wartość parametru kontrolnego EMFS poprzez zsumowanie wartości P_Ci dla wybranych składowych funkcji modalnych i.

EMFS = P_c.

przy czym wzrost wartości parametru EMFS od wartości bazowej ponad wartość krytyczną świadczy o pojawieniu się niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym, przy czym wartość bazowa określana jest dla konkretnego układu sprężającego na podstawie pomiarów podczas pracy stabilnej.

Korzystnie wartość krytyczna określana jest na podstawie kontrolowanego wprowadzenia maszyny w obszar pracy niestabilnej.

Korzystnie wartość krytyczna stanowi dwukrotność wartości parametru EMFS w obszarze pracy stabilnej.

Korzystnie mierzoną wielkością fizyczną jest ciśnienie.

Korzystnie mierzoną wielkością fizyczną jest prędkość przepływu czynnika.

PL 239 694 B1

Korzystnie pomiar ciśnienia odbywa się przynamniej w jednym punkcie pomiarowym układu sprężającego.

Korzystnie pomiar ciśnienia odbywa się w strefie dolotowej układu sprężającego.

Korzystnie pomiar ciśnienia odbywa się w dyfuzorze układu sprężającego.

Korzystnie pomiar ciśnienia odbywa się w spirali zbiorczej układu sprężającego.

Korzystnie pomiar ciśnienia odbywa się w rurze za stopniem sprężającym układu sprężającego.

Korzystnie pomiar ciśnienia odbywa się w strefie nadłopatkowej układu sprężającego.

Sposób według wynalazku pozwala na monitorowanie pracy układu sprężającego (np. układu sprężarki promieniowej) poprzez przetwarzanie sygnału, korzystnie sygnału przetwornika ciśnienia i wysłanie sygnału ostrzegawczego lub regulację pracy maszyny w wypadku pojawienia się niestatecznego przepływu. Sposób ten jest wrażliwy na wszystkie niestacjonarne struktury przepływu, w tym pompowanie, oderwanie wirujące, recyrkulację wlotową.

Poprzez wzrost wartości mocy możliwe jest określenie istnienia niestabilności, a skala wzrostu pozwala wnioskować o jej intensywności. Podejście to pozwala na szybką i dokładną identyfikację stanu pracy maszyny. Wzrost wartości mocy wybranych funkcji i/lub sumy funkcji, a przez to wzrost wartości parametru kontrolnego EMFS ponad założony poziom powoduje wysłanie sygnału o pojawieniu się niestatecznych struktur przepływowych.

Moc określana przez kwadrat średniej kwadratowej wyliczonej z funkcji dekompozycji i/lub ich sumy jest stabilna w obszarze pracy statecznej i zauważalnie wzrasta przy pojawieniu się niestabilności przepływu czynnika. Wykorzystanie tej metody pozwala na wykrycie struktur niestatecznych szybciej niż śledzenie samej wartości ciśnienia.

Sposób według wynalazku w przykładach wykonania jest bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym:

Fig. 1 przedstawia typową charakterystykę układu sprężającego oraz objaśnienie pojęć „granica pompowania, „margines bezpieczeństwa”, „zakres pracy statecznej”,

Fig. 2 - sygnał ciśnienia w funkcji czasu zmierzony w trakcie opisanych badań na przetworniku zlokalizowanym w strefie wlotu do wirnika,

Fig. 3 przedstawia przebieg zmian przy sumowaniu modalnych funkcji składowych ze środka zakresu (pozioma linia oznacza przyjęty poziom wartości krytycznej),

Fig. 4 przedstawia przebieg zmian przy sumowaniu modalnych funkcji składowych z górnego zakresu (pozioma linia oznacza przyjęty poziom wartości krytycznej),

Fig. 5 przedstawia połączenie schematu bloku sprężającego ze schematem sieci działań dla monitorowania w czasie rzeczywistym za pomocą mocy modalnych funkcji dekompozycji, który jest wrażliwy na pojawienie się niestabilnego przepływu w punkcie pomiaru.

Badania były prowadzone na dmuchawie promieniowej DP1.12 dla której spręż (stosunek ciśnienia wylotowego do wlotowego) był w zakresie od 1.03 do 1.08 w zależności od położenia zaworu dławiącego. Rejestracja sygnału trwała 20.97 sekund, w tym czasie zawór dławiący był stopniowo przymykany, aby obserwować wchodzenie układu w stan pompowania. Ciśnienie było mierzone w siedmiu punktach: w rurze dolotowej (sonda ciśnienia statycznego i dwie sondy ciśnienia całkowitego), w rurze wylotowej (ciśnienie statyczne) oraz na pokrywie nad wirnikiem (trzy sondy ciśnienia statycznego).

Następnie przystępowano do obróbki danych. Sygnał z miernika poddawany był dekompozycji oraz operacjom matematycznym według przytoczonego wzoru na moc składowych funkcji modalnych.

Dla rozpatrywanego przypadku ustalono wartość krytyczną równą 0,75 dla sumy modalnych funkcji składowych ze środka zakresu oraz 4 dla sumy modalnych funkcji składowych z końca zakresu. Zaobserwowano wyraźny wzrost parametru kontrolnego EMFS, który przekroczył ustaloną wartość krytyczną około 4 sekundy dla modalnych funkcji składowych ze środka zakresu, wykrywając lokalną niestabilność poprzedzającą wejście maszyny w stan pracy niestatecznej. Parametr EMFS wyliczany dla modalnych funkcji składowych z górnego zakresu przekroczył założoną wartość krytyczną między 11 a 12 sekundą, dając wczesne wskazanie zagrożenia, jako że badana maszyna weszła w stan pompowania w okolicy 15. sekundy.

Powyższa procedura może być realizowana w czasie rzeczywistym przez sterownik wykonujący operacje matematyczne, opisane we wcześniejszych sekcjach. W efekcie, otrzymuje się uogólniony parametr kontrolny, który jest wrażliwy na pojawienie się niestabilnych struktur przepływowych. Wyliczany w bloku decyzyjnym parametr kontrolny EMFS porównywany jest w sposób ciągły z wartością krytyczną WK wyznaczoną przez operatora układu sprężającego. Jeżeli wartość krytyczna WK została przekroczona blok wysyła sygnał wskazujący na pojawienie się niestacjonarnych

PL 239 694 Β1 struktur przepływowych w badanym punkcie i następuje automatyczne uruchomienie systemu antypompażowego lub wygaszenie pracy maszyny.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na lokalne wykrywanie niestabilności przepływu w stopniu sprężającym, a więc w zależności od lokalizacji przetwornika ciśnienia albo wielu przetworników ciśnienia, może zostać wykorzystane do wykrycia każdego z wyżej wymienionych zjawisk. W istocie, opisany sposób może być wykorzystany również do wykrywania innych niebezpiecznych zjawisk przepływowych, ponieważ jest czuły na każdą niestateczność przepływu. W szczególności dotyczy to systemów antypompażowych, systemów wykrywających pompowanie, oderwanie wirujące i recyrkulację wlotową.

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym polegający na ciągłym pomiarze przynajmniej jednej wielkości fizycznej charakteryzującej układ sprężający w funkcji czasu s(t), znamienny tym, że uzyskany z pomiaru sygnał podlega empirycznej dekompozycji modalnej polegającej na podziale sygnału na skończoną ilość składowych funkcji modalnych i reziduum, po czym wylicza się moc P_Cj poszczególnych składowych funkcji modalnych wedle wzoru:

   gdzie:

   - Ci(m) oznacza m-tą wartość dla otrzymanej funkcji Ci(l)

   M oznacza wielkość okna kontrolnego wybraną dla analizy parametru, która może przyjmować dowolną wartość a następnie wyznacza się wartość parametru kontrolnego EMFS poprzez zsumowanie wartości P_Ci dla wybranych składowych funkcji modalnych i.

   przy czym wzrost wartości parametru EMFS od wartości bazowej ponad wartość krytyczną świadczy o pojawieniu się niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym, przy czym wartość bazowa określana jest dla konkretnego układu sprężającego na podstawie pomiarów podczas pracy stabilnej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wartość krytyczna określana jest na podstawie kontrolowanego wprowadzenia maszyny w obszar pracy niestabilnej.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wartość krytyczna stanowi dwukrotność wartości parametru EMFS w obszarze pracy stabilnej.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że mierzoną wielkością fizyczną jest ciśnienie.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mierzoną wielkością fizyczną jest prędkość przepływu czynnika.
6. 6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że pomiar ciśnienia odbywa się przynamniej w jednym punkcie pomiarowym układu sprężającego.
7. 7. Sposób według zastrz. 4 albo 6, znamienny tym, że pomiar ciśnienia odbywa się w strefie dolotowej układu sprężającego.
8. 8. Sposób według zastrz. 4 albo 6, znamienny tym, że pomiar ciśnienia odbywa się w dyfuzorze układu sprężającego.
9. 9. Sposób według zastrz. 4 albo 6, znamienny tym, że pomiar ciśnienia odbywa się w spirali zbiorczej układu sprężającego.

   PL 239 694 B1
10. 10. Sposób według zastrz. 4 albo 6, znamienny tym, że pomiar ciśnienia odbywa się w rurze za stopniem sprężającym układu sprężającego.
11. 11. Sposób według zastrz. 4 albo 6, znamienny tym, że pomiar ciśnienia odbywa się w strefie nadłopatkowej układu sprężającego.