PL240006B1 - S posób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym - Google Patents

Description

PL 240 006 B1

Opis wynalazku

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

Praca niestateczna maszyn sprężających (sprężarka, dmuchawa, wentylator, pompa) 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 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 zniszczenie materiału.

Systemy sprężające są projektowane w taki sposób, aby punkt pracy układu leżał w zakresie większych strumieni masy niż tzw. granica pompowania. W pobliżu granicy 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 niebezpiecznej strefy.

Innym zjawiskiem obserwowanym w sprężarkach w warunkach niedoboru strumienia masy czynnika są oderwania strumienia od łopatek wirnika w sprężarkach osiowych, czy oderwania strumienia 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 w szczególnych przypadkach również oderwania przemieszczające się w kierunku przeciwnym do obrotów wirnika.

Jednym z pierwszych sygnałów niestatecznej pracy sprężarki, 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 otrzymana wartość jest porównywana z założoną wartością graniczną. W przypad

PL 240 006 Β1 ku 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.

Istotą wynalazku jest sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym polegający na ciągłym pomiarze co najmniej jednej wielkości fizycznej charakteryzującej układ sprężający w co najmniej dwóch punktach pomiarowych Si(f), S2(f),...SN(f), w którym uzyskiwane sygnały pomiarowe przelicza się na uogólniony parametr kontrolny PK wyrażony zależnością:

Bi B₂

B_k “ b_n gdzie:

-A, Bi, Bk, ..., Bn, a, bi, ..., bk, ..., bn: k e 1, ..., N to stałe liczby pozwalające znormalizować wartość parametru kontrolnego PK w warunkach pracy statecznej do ustalonej wartości:

• Sk(t): k e 1, ..., N odpowiadają wartościom mierzonych wartości fizycznych w chwili t, • stałe Sks'. k e 1, ..., N odpowiadają średnim wartościom wielkości Skit) uzyskanych w warunkach pracy statecznej, przy czym wyznaczony parametr PK(t) porównuje się z ustaloną dla danego układu sprężającego wartością krytyczną WK i w przypadku, gdy PK(t) > WK wysyła się sygnał wskazujący na pojawienie się niestacjonarnych struktur przepływowych w układzie sprężającym.

Korzystnie wartości Bk wyznaczone są na podstawie wzoru:

= (^(0 gdzie Ofc(t) - s_ks)^bk oznacza średnią wartość różnicy między wartością danej wielkości fizycznej w warunkach pracy statecznej w funkcji czasu Sk(t), a wartością średnią mierzonej wartości fizycznej S/s uzyskanej w warunkach pracy statecznej wyznaczonej w oparciu o dostatecznie długi pomiar, przy czym długość pomiaru do wyznaczenia średniej Sks jest większa niż okres obrotu wirnika. Korzystne jest dobranie wartości parametrów A, Bk, a, bk, tak aby PK(t) w warunkach pracy statecznej był bliski do wartości 1.

PL 240 006 Β1 i

Korzystnie wykładnik potęgi bk wynosi 2. Z kolei korzystnie liczba A = ^=, natomiast a=2.

Także korzystnie, wartość krytyczną WK ustala się w zależności od założonej wrażliwości sposobu na pojawiające się niestateczne struktury przepływowe w układzie sprężającym, przy czym im bardziej wrażliwy ma być sposób tym przyjmuje się niższą wartość WK. Przy czym szczególnie korzystnie wartość krytyczna równa jest 3.

Korzystnie mierzoną wielkością fizyczną Sk(t) charakteryzującą układ sprężający jest ciśnienie.

Korzystnie pomiar ciśnienia odbywa się przynamniej w dwóch punktach pomiarowych układu sprężającego o dowolnym względnym położeniu.

Korzystnie co najmniej jeden pomiar ciśnienia odbywa się w strefie dolotowej układu sprężającego.

Korzystnie co najmniej jeden pomiar ciśnienia odbywa się w dyfuzorze układu sprężającego.

Korzystnie co najmniej pomiar ciśnienia odbywa się w spirali zbiorczej układu sprężającego.

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

Korzystnie co najmniej jeden pomiar ciśnienia odbywa się w strefie nadłopatkowej układu sprężającego.

Tak zdefiniowany parametr PK(t) nieznacznie oscyluje w okolicach jedności dla pracy statecznej i bardzo szybko wzrasta przy pojawieniu się nawet lekkich zawirowań powietrza w jednym z punktów kontrolnych. Widać więc, że wykorzystanie tak zdefiniowanego Parametru Kontrolnego pozwala na wykrycie niestabilności szybciej niż śledzenie samej wartości ciśnienia.

Monitorowanie pracy układu sprężarki poprzez przetwarzanie sygnału z więcej niż jednego przetwornika ciśnienia pozwala na wysłanie sygnału ostrzegawczego lub regulację pracy maszyny w wypadku pojawienia się niestatecznego przepływu. Zastosowany w sposobie według wynalazku układ jest wrażliwy na wszystkie niestacjonarne struktury, w tym pompowanie, oderwanie wirujące, recyrkulację wlotową.

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 - połączenie schematu bloku sprężającego ze schematem sieci działań dla monitorowania w sposób ciągły parametru kontrolnego PK(t), fig. 3 - sygnał ciśnienia przedstawiony w formie diagramów fazowych uzyskanych w trakcie opisanych badań na trzech przykładowych przetwornikach ciśnień p1,p2,p3.

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 7 punktach: w rurze dolotowej (sonda ciśnienia statycznego i dwie sondy ciśnienia całkowitego), w rurze wylotowej (ciśnienie statyczne) oraz na pokrywie nad wirnikiem (3 sondy ciśnienia statycznego). Na fig. 3 przedstawiono diagram fazowy zawierający sygnał z trzech przykładowych punktów kontrolnych. Lewy górny wykres przedstawia wariant z pomiarem ciśnienia w trzech punktach jedynie w warunkach pracy niestatecznej (pompowania). Pozostałe wykresy przedstawiają różne kombinacje dwóch sygnałów spośród p1,p2,p3 zmierzone w trakcie wchodzenia układu w zakres pracy niestatecznej (pompowania). Na każdym z wykresów oddalenie punktu od rejonu pracy statecznej (zaznaczonego na szaro) oznacza wzrost parametru PK(t). Na każdym z wykresów wyraźnie widać jak wykres fazowy wraz z pojawieniem się niestabilnych przepływów oddala się od początkowego punktu, co oznacza wzrost PK(t).

Powyższa procedura może być realizowana w czasie rzeczywistym przez sterownik poddający sygnał obróbce w czasie rzeczywistym. Sygnały z przetwornika poddawane są operacjom matematycznym, tj. dodaniu stałej, przemnożeniu przez stałą, podniesieniu do potęgi, filtrowaniu. W pierwszej odnodze sygnał poddany zostaje operacji matematycznej, np. podniesieniu do potęgi i przemnożeniu przez stałą, odjęciu wartości stałej. W drugiej odnodze sygnał również jest poddany operacji matematycznej, np. podniesieniu do potęgi i przemnożeniu przez stałą, odjęciu wartości stałej. Następnie sygnały z obu odnóg są sumowane, a wynik poddawany operacjom matematycznym, np. pierwiastkowaniu, przemnożeniu przez stałą i wygładzaniu. W efekcie opisanych transformacji sygnału otrzymuje się uogólniony parametr kontrolny PK(t), który jest wrażliwy na pojawienie się niestabilnych struktur przepływowych. Wyliczany w bloku decyzyjnym parametr kontrolny PK(t) porównywany jest w sposób

Claims (4)

1. PL 240 006 Β1 ciągły z wartością krytyczną l/l/K wyznaczoną przez operatora układu sprężającego. Jeżeli wartość krytyczna WK została przekroczona, blok wysyła sygnał wskazujący na pojawienie się niestacjonarnych struktur przepływowych w badanych punktach 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 przetworników ciśnienia, może zostać wykorzystane do wykrycia każdego z wyżej wymienionych zjawisk. W istocie, opisany system 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 oderwanie wirujące, recyrkulację wlotową, recyrkulację wylotową i poszukujących optymalnych warunków pracy.

   Rozwiązanie według wynalazku może być poszerzone w przypadku użycia więcej niż dwóch sygnałów kontrolnych. Może to zostać wykonane na różne sposoby, w tym:

   • Wyznaczenie kilku parametrów kontrolnych PK z wykorzystaniem wszystkich możliwych par sygnałów z punktów kontrolnych.

   • Wyznaczenie zbiorczego parametru PK zawierającego N monitorowanych sygnałów kontrolnych.

   • Dowolna kombinacja dwóch powyższych rozwiązań.

   PK_Ntf)=A

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym polegający na ciągłym pomiarze co najmniej jednej wielkości fizycznej charakteryzującej układ sprężający w co najmniej dwóch punktach pomiarowych Si(f), S2(t),...SN(t), znamienny tym, że:

   - uzyskiwane sygnały pomiarowe przelicza się na uogólniony parametr kontrolny PK wyrażony zależnością:

   0₂(0 ~ 5_2s)^bz

   B₂ (5_k(t) - On (t) i „ + “ * + „ ^k gdzie:

   • A, Bi, Bk, ..., Bn, a, bi, ..., bk, ..., bN : k e 1, ..., Nto stałe liczby pozwalające znormalizować wartość parametru kontrolnego PK w warunkach pracy statecznej do ustalonej wartości, • Sk(t): k e 1, ..., N odpowiadają wartościom mierzonych wartości fizycznych w chwili t, • stałe Sks odpowiadają średnim wartościom wielkości Sk(t) uzyskanym w warunkach pracy statecznej, przy czym wyznaczony parametr PK(t) porównuje się z ustaloną dla danego układu sprężającego wartością krytyczną l/l/K i w przypadku, gdy PK(t) > WK wysyła się sygnał wskazujący na pojawienie się niestacjonarnych struktur przepływowych w układzie sprężającym.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wartości Bk wyznaczone są na podstawie wzoru: = (s_k(t) gdzie (s_k(t) — oznacza średnią wartość różnicy między wartością danej wielkości fizycznej w warunkach pracy statecznej w funkcji czasu Sk(t), a wartością średnią mierzonej wartości fizycznej Sks uzyskanej w warunkach pracy statecznej wyznaczonej w oparciu o dostatecznie długi pomiar, przy czym długość pomiaru do wyznaczenia średniej Sks jest większa niż okres obrotu wirnika.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że korzystnie wykładnik potęgi bk wynosi 2.

   i
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że liczba A = ^=, natomiast a=2.