Нгуен Минь Хай. Информативные критерии для обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора

Краткое описание

Нгуен Минь Хай. Информативные критерии для обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора : дис. ... канд. техн. наук : 05.04.06 Санкт-Петербург, 2007 190 с. РГБ ОД, 61:07-5/2118

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
/ L// На правах рукописи
Нгуен Минь Хай
ИНФОРМАТИВНЫЕ КРИТЕРИИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДПОМПАЖНОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
Специальность 05.04.06 - «Вакуумная, компрессорная техника и
пневмосистемы» Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Измайлов Р. А.
Санкт-Петербург 2007

-2-ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение -5 -
Глава 1. Анализ состояния проблемы. Цель и постановка задач исследования.- 9 -
1.1. Состояние исследования нестационарных процессов в центробежном компрессоре. Помпаж и вращающийся срыв - 9 -
1.2. Классификация нестационарных процессов в центробежном компрессоре -15 -
1.3. Виды вращающегося срыва в центробежном компрессоре -19 -
1. 4. Актуальность выбранной темы - 23 -
1.5. Цели и постановка задач исследования - 29 -
Глава 2. Объект и предмет исследования - 30 -
Глава 3. Методика экспериментального исследования - 33 -
3.1. Выбор метода экспериментального исследования - 33 -
3.2. Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов - 36 -
3.3. Выбор способа обнаружения предпомпажного состояния и определения информативных признаков - 39 -
Глава 4. Методика обработки сигналов - 45 -
4.1. Способы представления сигналов пульсаций давления - 45 -
4.2. Способы обработки сигналов для обнаружения скрытых периодичностей - 49 -
4.3. Сингулярный спектральный анализ - 58 -

4.3.1. Базовый алгоритм ССА - 58 -
4.3.2. Рекомендации для обработки нестационарных сигналов - 67 -

4.4. Корреляционные функции - 70 -
4.5. Сравнение способов определения периода сигналов - 78 -
4.6. Алгоритм для автоматического обнаружения скрытых периодичностей пульсаций давления в центробежном компрессоре - 83 -
4.7. Плотность вероятности сигналов - 93 -

-3-
4.8. Относительный размах пульсаций давления - 95 -
4.9. Определение числа срывных зон и скорости их перемещения при вращающемся срыве - 97 -
Глава 5. Обработка цифровых записей и анализ результатов -106 -
5.1. Общие сведения о цифровых записях и их обработке -106 -
5.2. Результаты обработки испытаний ступени KZ -113 -
5.3. Результаты обработки испытаний ступени NC -124 -
5.4. Результаты обработки испытаний ступени RB -138 -
5.5. Анализ результатов обработки -154 -
Глава 6. Информативные критерии для обнаружения предпомпажного состояния и антипомпажный алгоритм для центробежного компрессора...-161 -
6.1. Информативные критерии для обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора -161 -
6.2. Антипомпажный алгоритм для центробежного компрессора -167 -
6.3. Результаты применения антипомпажного алгоритма для ступеней KZ, NC,RB -172-
6.4. Рекомендации для построения антипомпажной системы -174 -
Заключение „ -175 -
Список использованной литературы -178 -

-4-УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А - относительный размах пульсаций давления;
А - средний относительный размах пульсаций давления в данном сечении;
Az - средний относительный размах пульсаций давления за z кадров; D - диаметр характерного сечения проточной части; D - относительный диаметр, D = D/D2;
f - частота процесса, Гц;
і - угол атаки потока, индекс;
Lmax(2) - второй (по величине) локальный максимум автокорреляционной
функции; Ми - число Маха; р - давление (статическое); р(х) - плотность вероятности; Rs - уровень устойчивости низкочастотных составляющих пульсаций
давления; S - спектральная плотность мощности; Т - период процесса;
U2 - окружная скорость на периферии рабочего колеса; z - число лопаток, число зон срыва, число кадров для обработки; а2 - угол потока на выходе из рабочего колеса; п* - политропный коэффициент полезного действия по полным параметрам;
X - сингулярное число;
Ф - условный коэффициент расхода;
Фопт - условный коэффициент расхода оптимального режима;
\f* - политропный коэффициент напора по полным параметрам;
Сокращения
АКФ - автокорреляционная функция;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
БЛД - безлопаточный диффузор;
ККФ - кросс-корреляционная функция;
КПД - коэффициент полезного действия;
ЛД - лопаточный диффузор;
ОНА - обратно-направляющий аппарат;
РК - рабочее колесо;
ССА - сингулярный спектральный анализ;
ФНЧ - фильтр низких частот.
Остальные условные обозначения поясняются в тексте.

-5-
Введение
Актуальность темы исследования. Центробежные компрессоры используются во многих отраслях промышленности: в энергетике, металлургии, машиностроении, газовой, нефтяной, горнодобывающей отрасли и др. Центробежный компрессор большой мощности является ключевой энергетической установкой компрессорных станций магистрального газопровода, газо-, нефтеперерабатывающих заводов, промышленных холодильных установок, систем кондиционирования, вентиляции и многих других систем и линий производства. Выход из строя компрессора приводит к большим материальным убыткам. Поэтому необходимо обеспечивать безопасную (устойчивую) работу при эксплуатации центробежного компрессора.
В настоящее время наблюдается тенденция увеличения единичной мощности, производительности, окружной скорости и давления нагнетания промышленных центробежных компрессоров вместе с тенденцией снижения металлоемкости их конструкции. Это приводит к повышению уровня динамических нагрузок, а также к опасности разрушения высоконагруженных элементов конструкции компрессора и компрессорной установки в целом, как правило, из-за нестационарных процессов. Поэтому существует необходимость в исследованиях нестационарных процессов центробежного компрессора с целью обеспечения его эффективной, устойчивой и надёжной работы.
Помпаж - глобальная (полная) потеря устойчивости - недопустимое явление для центробежного компрессора. Защита компрессора от помпажа должна быть обеспечена при его эксплуатации. Существующие алгоритмы защиты центробежного компрессора от помпажа имеют недостатки, из-за которых защищённость от помпажа машины не может быть надёжно обеспечена. Поэтому разработка информативных критериев для построения робастного алгоритма защиты центробежного компрессора от помпажа -актуальная задача.

-6-
Цели и задачи исследования. Настоящая диссертационная работа является продолжением цикла работ по исследованию нестационарных процессов в центробежном компрессоре, выполняемых на кафедре "Компрессорная, вакуумная и холодильная техника" (КВХТ) СПбГПУ под руководством профессора, д.т.н. Р.А. Измайлова. Основными целями данной работы является разработка информативных критериев для своевременного обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора и построение антипомпажного алгоритма, основанного на этих критериях.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
• проанализировать способы обработки нестационарных сигналов;
• выбрать способы и разработать алгоритм для автоматического обнаружения периодических составляющих нестационарных сигналов;
• проанализировать имеющиеся данные экспериментального исследования нестационарных процессов с измерением быстроменяющихся величин в типовых ступенях центробежного компрессора;
• обработать имеющиеся экспериментальные данные;
• проанализировать результаты обработки;
• разработать информативные критерии для своевременного обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора;
• разработать алгоритм антипомпажной защиты на основании сформулированных информативных критериев.
Объектом исследования являются модельные ступени промышленных нагнетателей природного газа.
Предметом исследования в данной работе являются пульсации статического давления в неподвижных элементах проточной части центробежного компрессора.
Методы исследования и используемые инструментальные средства. Для экспериментального исследования нестационарных процессов в центробежном компрессоре используются разработанная под руководством

-7-проф. Р. А. Измайлова методика и информационно-измерительный комплекс
кафедры КВХТ СПбГПУ. Для обработки сигналов применяются сингулярный
спектральный анализ, кратковременный корреляционный анализ и
фильтрация. Разработанная методика обработки сигналов реализована
автором в платформе Matlab 6.5.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика обработки сигналов (способы обработки сигналов с целью обнаружения скрытых периодичностей, сингулярный спектральный анализ, кратковременный корреляционный анализ, разработанный автором алгоритм для автоматического обнаружения скрытых периодичностей и относительный размах пульсаций давления).
2. Методика определения числа срывных зон и скорости их перемещения при вращающемся срыве в центробежном компрессоре.
3. Результаты обработки цифровых записей испытания ступеней.
4. Информативные критерии для обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора.
5. Антипомпажный алгоритм, построенный на основании разработанных критериев.
Научная новизна. В данной работе получены следующие результаты:
1. Разработана методика обработки сигналов с целью обнаружения скрытых периодичностей. Усовершенствована методика определения числа срывных зон и скорости их перемещения при вращающемся срыве в центробежном компрессоре.
2. Разработаны критерии для обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора.
3. Предложен новый алгоритм защиты центробежного компрессора от помпажа.
Практическая значимость работы состоит в следующем: 1. На основе полученных результатов исследования можно построить робастную систему защиты центробежного компрессора от помпажа, позволяющую расширить зону эффективной работы и повысить надёжность установки.

-8-
2. Разработанная методика обработки сигналов может быть использована не только для пульсаций давления в центробежном компрессоре, но и для других параметров, характеризующих нестационарные процессы.
3. Разработанный подход к построению информативных критериев можно применять для широкого круга задач диагностики турбомашин (например, для диагностики напряжённо-деформационного состояния элементов и узлов конструкции, вибродиагностики турбомашин и др.).
Достоверность полученных результатов обеспечивается а) использованием результатов испытаний модельных ступеней, применённых при проектировании натурных нагнетателей природного газа, выпускаемых промышленностью; б) использованием требуемой частоты дискретизации при записи пульсаций давления, выполняемой с помощью современной информационно-измерительной системы; в) дублированием измерений быстроменяющихся величин; г) сопоставлением полученных результатов с выполненными ранее исследованиями по измерению параметров нестационарного потока; д) использованием современных робастных алгоритмов выделения скрытых периодичностей.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертации докладывались на научной конференции студентов и аспирантов "XXXIV Неделя науки СПбГПУ" (СПб, 28 ноября - 3 декабря 2005 г.), "XXXV Неделя науки СПбГПУ" (СПб, 20 - 25 ноября 2006 г.) и конференции "Молодые учёные - промышленности Северо-Западного региона" в рамках политехнического симпозиума 2006 г (СПб, декабрь 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре печатные работы, две из них в журнале "Компрессорная техника и пневматика" [31,32].
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 167 наименований. Материал, изложен на 190 страницах машинописного текста и содержит 131 рисунок и 5таблиц.

Список литературы

Заключение
В ходе работы над диссертацией были:
• проанализированы способы обработки нестационарных сигналов;
• выбраны сингулярный спектральный анализ и текущий корреляционный анализ для построения алгоритма автоматического обнаружения периодических составляющих нестационарных сигналов;
• проанализированы имеющиеся данные выполненного в широком диапазоне изменения режимных параметров экспериментального исследования нестационарных процессов в типовых ступенях центробежного компрессора;
• обработаны имеющиеся экспериментальные данные;
• проанализированы результаты обработки;
• разработаны информативные критерии для своевременного обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора;
• предложен новый алгоритм антипомпажной защиты на основании разработанных информативных критериев.
На основании проведённого исследования можно сделать следующие выводы:
1. Разработан новый алгоритм, основанный на сингулярном спектральном анализе и кратковременной автокорреляционной функции, для автоматического обнаружения периодических составляющих нестационарных пульсаций давления. Применимость и надежность разработанного алгоритма для нестационарных сигналов проверялись на большом количестве результатов испытаний различных модельных ступеней нагнетателей природного газа при разных числах Маха и расходах (были обработаны около тысячи цифровых записей).
2. Низкочастотные составляющие пульсаций давления присутствуют на всех режимах работы, причём эти периодичности наименее устойчивы на оптимальном режиме. При уменьшении расхода от оптимального

-176-режима низкочастотные периодичности пульсаций давления
становятся устойчивыми. При интенсивном вращающемся срыве
низкочастотные периодичности существуют не только в проточной
части, но и распространяются вплоть до входа в компрессор.
3. Усовершенствована методика определения числа срывных зон и скорости их перемещения при вращающемся срыве, позволяющая автоматически определить эти параметры при любой форме вращающегося срыва.
4. Сформулированы информативные критерии для обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора. Первый критерий - уровень устойчивости периодической составляющей пульсаций давления в диффузоре (Rs). Второй критерий - порог относительного размаха пульсаций давления на входе в диффузор центробежной ступени (А). Получены количественные оценки для испытанных ступеней: А = 0,015 соответствует началу предсрыва или слабого срыва, и А = 0,02 - началу интенсивного срыва. С помощью полученных критериев можно разделить предпомпажную область на предсрыв (1), слабый срыв (2) и интенсивный срыв (3). Такая детализация позволяет избежать ложного срабатывания (на режимах больших расходов) и преждевременного срабатывания (при неинтенсивном срыве) системы антипомпажного регулирования.
5. На основании полученных критериев разработан новый алгоритм для антипомпажного регулирования, согласно которому антипомпажная система готовится к срабатыванию, когда в проточной части центробежного компрессора возникает предсрыв или слабый срыв, и срабатывает при появлении интенсивного срыва. Применимость разработанного алгоритма проверялась на длинных записях пульсаций давления в испытанных ступенях при различных условиях и режимах работы. Результаты применения разработанного алгоритма показывают, что защита центробежного компрессора от помпажа

-177-
может быть обеспечена признаковым способом с применением
сформулированных критериев. Кроме того, применение данного
алгоритма позволяет расширять зону возможной работы с высоким
КПД благодаря тому, что антипомпажная система срабатывает до
наступления помпажа и только при появлении реальной опасности для
работы компрессора.
Таким образом, можно заключить, что поставленные задачи в данной
работе выполнены, а цели исследования - достигнуты. Однако с позиций
исследования нестационарных процессов и практической реализации
разработанного метода для центробежных компрессоров остаются вопросы,
требующие дальнейшей разработки. К ним относятся:
1. Проблема определения места зарождения, направления и интенсивности распространения вращающегося срыва по тракту ступени, в том числе для многоступенчатых компрессоров.
2. Задача аппаратной реализации разработанного алгоритма с применением современных DSP-процессоров или соответствующих технологий.
3. Оптимизация алгоритма для обеспечения требуемого быстродействия применительно к системам реального времени.

-178-
Список использованной литературы
1. Александров, Ф. И. Разработка программного комплекса автоматического
выделения и прогноза аддитивных компонент временных рядов в рамках
подхода'Тусеница''-SSA: Дис.... канд. физ.-мат. наук/ Александров
Ф. И. - СПбГУ. - СПб., 2006. - 152 с.
2. Анализ сигналов пульсаций в модели ступени нагнетателя магистрального газопровода: Отчет о НИР / СПбГТУ; рук. Измайлов Р. А.; исполн. Акульшин Ю. Д. - СПб., 1996. - 38 с. - №306604/803-509.
3. Анализ теоретических и экспериментальных материалов о возникновении нестационарных явлений в проточной части на предпомпажных режимах: Отчет о НИР / СПбГТУ; рук. Измайлов Р. А.; исполн. Акульшин Ю. Д-СПб., 1995. - 42 с. - №306415/803-226.
4. Баскаков, СИ. Радиотехнические цепи и сигналы / Баскаков СИ. - М.: Высшая школа, 2000. - 464 с.
5. Бендат, Дж. Измерение и анализ случайных процессов / Бендат Дж., Пирсол А; Пер. с англ. - М: Мир, 1974. - 464 с.
6. Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных / Бендат Дж., Пирсол А; Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 540 с.
7. Бендат, Дж. Применения корреляционного и спектрального анализа / Бендат Дж., Пирсол А; Пер. с англ. - М: Мир, 1983. - 312 с.
8. Бухарин, Н. Н. Моделирование характеристик центробежных компрессоров / Бухарин Н. Н. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1983. - 214 с.
9. Витязев, В. В. Вейвлет-анализ временных рядов: учеб. пособие / Витязев В. В. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 2001. - 58 с.
10. Витязев, В. В. Спектрально-корреляционный анализ равномерных временных рядов: учеб. пособие / Витязев В. В. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 2001. - 48 с.
11. Воеводин, В. В. Матрицы и вычисления / Воеводин В. В., Кузнецов Ю. А. - М.: Наука, 1984. - 320 с.
12. Воробьев, В. И. Г. Теория и практика вейвлет-преобразования / Воробьев В. И., Грибунин В. Г. - ВУС, 1999. - 204 с.
13. Галеркин, Ю. Б. Модернизация нагнетателей ГПА установкой новой проточной части с безлопаточными диффузорами / Галеркин Ю. Б. [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -1998. - №11. - с. 22-28.

-179-
14. Галеркин, Ю. Б. Новое поколение модельных ступеней с безлопаточными диффузорами для модернизации линейных нагнетателей природного газа / Галеркин, Ю. Б. [и др. ] // Труды пятого Международного симпозиума "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-1999". - СПб. -1999. - с.114-120.
15. Галеркин, Ю. Б. Методы исследования центробежных компрессорных машин / Галеркин 10. Б., Рекстин Ф. С. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1969. - 304 с.
16. Главные компоненты временных рядов: метод «Гусеница» / Под. ред. Д. Л. Данилова, А. А. Жиглявского. - СПб: Пресском, 1997. - 307 с.
17. Голянднна, Н. Э. Метод «Гусеница»-88А: анализ временных рядов: учеб. пособие / Голяндина Н. Э. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 2004. - 76 с.
18. Голяндина, Н. Э. Метод «Гусеница»-88А: прогноз временных рядов: учеб. пособие / Голяндина Н. Э. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 2004.-52 с.
19. Горяинов, В. Т. Статистическая радиотехника: Примеры и задачи / Горяинов В. Т., Журавлев А. Г. - 2-е изд. - М.: Сов. Радио, 1980. - 544 с.
20. Грейтцер, Е. М. Явление срыва потока в осевых компрессорах (обзор) / Грейтцер Е. М. // Тр. Амер. об-ва. инж.-мех. -1980. - №2. - с. 72-97.