- устройство нормализации и сигнализации;

- устройство логической обработки информации;

- табло этапов логического управления;

- блок регистрации событий;

- аналого-цифровой преобразователь;

- сужающее устройство;

- средство измерения;

- устройство сужающее быстросъемное;

- узел учета газа;

- предельное допустимая концентрация;

- клапан холодного регулирования;

- автоматическая система пожаротушения

Введение

К началу третьего тысячелетия нефть и природный газ по-прежнему остаются "кровью" мировой экономики и основой энергетики подавляющего большинства стран мира [1].

Развитие новых направлений радиотехники, бурный рост радиоэлектронной промышленности, повсеместное внедрение компьютеров, автоматизация производства и сферы потребления невозможны без совершенствования измерительной техники и повышения эффективности её метрологического обеспечения, создания новых методов измерений и средств контроля.

На всех этапах исследования, разработки, производства и эксплуатации технических устройств работа специалистов связана с большим числом измерений различных величин.

От того, насколько правильно и быстро проводятся измерения, зависят качественные показатели и надежность продукции, а также затраты на её создание и использование.

Целью данной дипломной работы является совершенствование существующей системы автоматизации газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4 в ЛПУ МГ "Комсомольское".

Задачами дипломного проекта являются:

- изучение общей характеристики предприятия и состава газоперекачивающего агрегата;

- модернизация системы автоматизации газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4;

- Выполнен расчет относительной стандартной неопределенности измерений расхода узлом учета с использованием прибора "ГиперФлоу-3Пм" и сделан сравнительный анализ неопределенностей измерений, при выполнении измерений штатным комплектом СИ и прибором "ГиперФлоу-3Пм".

При работе над проектом были использованы материалы ООО "Газпром трансгаз Югорск" (Руководство пользователя системы автоматического управления компрессорного цеха ОАО "Газавтоматика" ОАО "Газпром").

1. Комсомольское линейное производственное управление магистральных газопроводов

1.1 Общая характеристика производства

Предприятие по транспортировке и поставкам газа ООО "Тюментрансгаз", организованное в январе 1966 года, переименованное в январе 2008 г. в ООО "Газпром трансгаз Югорск", одно из самых мощных газотранспортных предприятий в мире. Оно является дочерним предприятием ОАО "Газпром", основанным на собственности Общества. ООО "Газпром трансгаз Югорск" принимает газ от месторождений севера Тюменской области: Медвежьего, Уренгойского, Ямбургского, Юбилейного и транспортирует его по трём основным направлениям:

- Северное (Уренгой - Надым - Ухта - Торжок) для снабжения потребителей северо-западных районов страны, Белоруссии, Центра, Прибалтики;

- Центральное (Уренгой - Надым - Пунга, Нижняя Тура - Центр) для подачи Тюменского газа Уральскому, Волго-Вятскому и Центральному районам;

- Южное (Уренгой - Сургут - Челябинск - Петровск) для снабжения газом районов Западной - Сибири, Южного Урала, Среднего Поволжья.

Предприятие входит в ЕСГ РФ, которая функционирует как единый технологический комплекс. Территориально магистральные газопроводы предприятия ООО "Газпром трансгаз Югорск" располагаются в Тюменской (на землях Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов) и Свердловской областях. Незначительная часть газопроводов проходит по Пермскому краю.

В состав "Газпром трансгаз Югорск" входят 57 подразделений, 29 из них - ЛПУ МГ. Общая протяженность газопроводов диаметрами 1020, 1220, и 1420 мм, эксплуатируемых предприятием, составляет 27034 км (в однониточном исполнении). Предприятие транспортирует свыше 1,3 млрд. куб. м газа в сутки. Для этой цели имеются 220 компрессорных станций, в которых установлены 1125 газоперекачивающих агрегатов общей мощностью свыше 15 тыс. МВт, среди которых 20 типов и модификаций ГПА, единичной мощностью от 5 до 25 МВт, отечественного и импортного производства.

Основными способами внутриконтинентального транспорта природного газа являются трубопроводы (газопроводы), по которым этот газ в газообразном состоянии транспортируется после компримирования (сжатия) компрессорами.

Компрессорные станции (КС) оснащаются газоперекачивающими агрегатами и необходимым вспомогательным оборудованием.

Перед подачей газа непосредственно потребителю (ТЭЦ, город, посёлок) он поступает из магистрального газопровода по отводам на ГРС. На ГРС снижается давление газа до рабочего давления газораспределительной системы потребителей, он также подвергается одоризации - для придания ему специфического запаха, чтобы избежать отравления людей и взрывов при аварийных утечках газа.

Комсомольское линейное производственное управление магистральных газопроводов (КЛПУ МГ), образованное 17 января 1966 года, является одним из производственных звеньев ООО "Газпром трансгаз Югорск", задачей которого является транспортирование газа с заданными параметрами по системе магистральных газопроводов.

1.2 Описание технологического процесса и схемы компрессорной станции

1.2.1 Оборудование компрессорной станции

Компрессорная станция - неотъемлемая и составная часть магистрального газопровода, обеспечивающая транспорт газа с помощью энергетического оборудования, установленного на КС. Она служит управляющим элементом в комплексе сооружений, входящих в магистральный газопровод. Именно параметрами работы КС определяется режим работы газопровода. Наличие КС позволяет регулировать режим работы газопровода при колебаниях потребления газа, максимально используя при этом аккумулирующую способность газопровода.

На каждой КС устанавливают пылеуловители, так как газ в процессе движения по газопроводу засоряется механическими примесями.

При транспортировке газа по магистральным газопроводам через определенные промежутки (140-160 км) размещаются КС, которые компримируют транспортируемый газ и тем самым восполняют гидравлические потери давления газа на участках между ними, что позволяет поддерживать максимальную производительность в целом. Они в большинстве случаев оборудуются центробежными нагнетателями с приводом от газотурбинных установок или электродвигателей. В настоящее время 90% мощности всех КС составляет газотурбинный привод нагнетателей, а 10% - электропривод. Газовые турбины работают на перекачиваемом газе. Расход газа на топливо 10-12% объёма его транспортировки. В зависимости от пропускной способности газопровода, степени сжатия и типа нагнетателя применяют газотурбинные установки с единичной мощностью от 10 до 25 тыс. кВт. (ГПА-Ц-6,3, ГТН-16, ГПА-Ц-16, ГТК-10-4 и т.д.).

По мере движения по газопроводу температура газа несколько снижается вследствие теплообмена с окружающим грунтом. При эксплуатации газопроводов диаметром более 1000 мм было замечено, что газ на участке между КС не успевает охладиться до нужных пределов из-за увеличения его количества в газопроводе, и его температура от перегона к перегону повышается. Чрезмерный нагрев газа нежелателен, так как при повышении температуры его объём увеличивается и требуется расходовать больше мощности для привода нагнетателей. Поэтому на выходе всех КС газопроводов большего диаметра устанавливают аппараты для охлаждения транспортируемого газа атмосферным воздухом (АВО газа).

Горячий газ после КС проходит по системе трубок, омываемых воздухом, нагнетаемым вентиляторами. В зависимости от температуры окружающего воздуха число работающих одновременно вентиляторов меняется таким образом, чтобы обеспечить охлаждение газа до нужных пределов.

На рисунке 1.1 показана принципиальная схема компоновки основного оборудования компрессорной станции.

1.2.2 Газоперекачивающие агрегаты газокомпрессорной станции

Газоперекачивающие агрегаты предназначены для повышения давления газа, транспортируемого по магистральному газопроводу. Выполнение этих функций обеспечивается определенной схемой обвязки центробежных нагнетателей. Нагнетатель природного газа типа 370-18-1 - это центробежная одноступенчатая компрессорная машина, имеющая степень сжатия 1,22-1,24. Начальное давление газа - давление газа при входе во всасывающий патрубок нагнетателя. Конечное давление газа - давление при выходе из нагнетательного патрубка. Степень повышения давления (или степень сжатия) - отношение конечного давления газа к его начальному.

На газокомпрессорных станциях используют одно - и двухступенчатые схемы (группы ГПА) компримирования газа. Группа ГПА состоит из двух неполнонапорных центробежных нагнетателей, соединенных последовательно по газу с помощью крановой обвязки ("гитары"). Расчетная степень сжатия в этой схеме (группе) обеспечивается двумя нагнетателями и составляет 1,45-1,50.

Газоперекачивающий агрегат ГТК-10-4, сконструированный и изготовленный на Невском машиностроительном заводе, предназначен для сжатия природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам.

Газотурбинная установка, входящая в состав агрегата, выполнена по открытому циклу, с регенерацией тепла по схеме с "разрезным валом". Это позволило получить установку, отличающуюся сравнительно простой конструкцией, высокой экономичностью и маневренностью.

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема компоновки основного оборудования компрессорной станции

Газоперекачивающий агрегат состоит из газотурбинной установки и нагнетателя природного газа (рисунок 1.2).

ОК - осевой компрессор; ТВД - турбина высокого давления; ТНД -турбина низкого давления; Н - нагнетатель; Р - регенератор; КС - камера сгорания

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема ГПА

1.2.3 Газотурбинная установка

ГТУ состоит из двух механических не связанных между собой турбин (турбины высокого давления для привода воздушного компрессора и силовой турбины для привода газового нагнетателя), воздушного компрессора, камеры сгорания, воздухоподогревателя (регенератора), пускового турбодетандера, а также систем смазки, регулирования, защиты и управления, обеспечивающих нормальную работу и обслуживание установки.

Воздух из атмосферы через фильтры засасывается и сжимается осевым компрессором и поступает в воздухоподогреватель, где его температура повышается за счет тепла отработавших в турбине продуктов сгорания. Подогретый воздух направляется в камеру сгорания, куда подается и топливо (природный газ). Продукты сгорания из камеры сгорания направляются в турбину высокого давления, мощность которой используется для привода осевого компрессора. Далее продукты сгорания попадают в турбину низкого давления (силовую турбину), вращающую нагнетатель. После силовой турбины продукты сгорания проходят через воздухоподогреватель, отдают часть тепла воздуху за компрессором и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Обе турбины выполнены в общем, литом корпусе, имеющем внутреннюю тепловую изоляцию. Турбина высокого давления (ТВД) одноступенчатая. Ротор ТВД состоит из одновенечного диска, укрепленного на консоли вала воздушного компрессора, который вращается в двух подшипниках (передний - опорно-упорный, задний - опорный). Турбина низкого давления (ТНД) также одноступенчатая. Одновенечный диск ТНД крепится на консоли силового вала, который вращается в двух подшипниках. Передний подшипник силового вала опорный, задний подшипник опорно-упорный.

Воздушный компрессор осевого типа имеет 10 ступеней. Направляющие лопатки укреплены в литом чугунном корпусе. Ротор компрессора барабанного типа. Рабочие лопатки крепятся к ротору при помощи зубчатых хвостов.

Вся турбогруппа смонтирована на общей сварной раме-маслобаке.

Камера сгорания прямоточная, состоит из корпуса, фронтового устройства с одной дежурной и шестью основными горелками, огневой части и смесительного устройства.

Воздухоподогреватель (регенератор) выполнен из профильных листов и состоит из двух секций. Движение продуктов сгорания через подогреватель осуществляется одним ходом по каналам, образованным профилем листов. Между листами движется подогреваемый воздух.

Соединение роторов нагнетателя и газовой турбины осуществляется при помощи промежуточного вала с зубчатыми соединительными муфтами.

Пуск агрегата производится пусковым турбодетандером, работающим на перекачиваемом по магистрали газе. Топливом является перекачиваемый природный газ. Техническая характеристика газотурбинной установки приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Технические характеристики газотурбинной установки

1.2.4 Центробежный нагнетатель

Нагнетатель 370-18-1 выполнен в виде одноступенчатой центробежной машины с консольно-расположенным рабочим колесом и тангенциальным подводом и отводом газа, как показано на рисунке 1.3. Основные элементы нагнетателя: ротор, подшипники, диффузор, уплотнения и другие - заключены в специальную гильзу, устанавливаемую в корпус. Стальной литой корпус нагнетателя без горизонтального разъема, цилиндрической формы, закрывается крышкой, на которой смонтированы всасывающая и сборная кольцевые камеры. Система лабиринтного и масляного уплотнений обеспечивает надежную защиту от проникновения газа в помещения компрессорного цеха.

Регулирование режима работы нагнетателя осуществляется изменением скорости вращения силового вала газотурбинной установки. Работа нагнетателя возможна по следующим схемам: один нагнетатель; два последовательно работающих нагнетателя; три последовательно работающих нагнетателя; параллельная работа одиночных нагнетателей, а также групп последовательно включенных нагнетателей.

Нагнетатель 370-18-1 отличается высокой экономичностью по всей рабочей зоне характеристики.

Рисунок 1.3 - Общий вид нагнетателя 370-18-1

Техническая характеристика нагнетателя приведена в таблице 1.2 [2].

Таблица 1.2 - Техническая характеристика нагнетателя 370-18-1

1.3 Система автоматического управления. Назначение и состав

Система централизованного контроля и управления газотурбинными газоперекачивающими агрегатами А-705-15 предназначена для работы в составе систем агрегатной автоматики автоматизированных ГПА на компрессорных станциях магистрального газопровода. Для агрегата ГТК-10-4 используется установка А-705-15-03.

Система автоматического управления предназначена для:

- непрерывного автоматического контроля параметров компрессорного цеха;

- дистанционного управления оборудованием;

- реализации функций автоматических технологических защит;

- регистрации и архивирования всей поступающей информации;

- формирования архивов параметров компрессорного цеха;

- формирования и печати сменной ведомости.

В составе агрегатной автоматики ГПА установка выполняет следующие функции:

- сигнализацию отклонений контролируемых параметров от заданных значений на групповых и индивидуальных табло;

- индикацию положения запорной арматуры и устройств агрегата на мнемосхеме и табло;

- непрерывное измерение и регистрацию значений контролируемых параметров в аналоговой форме;

- регистрацию фактов изменения режимов работы, пуска, остановки агрегата, срабатывания автоматических аварийных защит и действий оператора с одновременной фиксацией начала и конца события;

- программно-параметрическое управление пуском и остановом агрегата с индикацией режимов работы и этапов управления;

- аварийный останов агрегата;

- формирование команд на включение звукового сигнала по предупредительному и аварийному отклонению контролируемых параметров;

- прием команд дистанционного управления от общецеховой или общестанционной системы централизованного контроля и управления;

- выдачу аналоговых и дискретных сигналов и команд в цеховую или общестанционную систему.

Питание установки осуществляется переменным током с напряжением 220 В и постоянным током с напряжением 27 В от резервного источника (аккумуляторных батарей).

Система автоматического управления компрессорного цеха представляет собой комплекс программно-технических средств, включающий в себя:

- шкаф контроля, управления и сигнализации со встроенным плоскопанельным компьютером и выдвижной клавиатурой с манипулятором типа TouchPad (АСА2.556.498);

- автоматизированное рабочее место, выполненного на базе ПЭВМ IBM;

- пульт аварийного останова, устанавливаемый на рабочем столе оператора.

2. Патентная проработка

2.1 Выбор и обоснование предмета поиска

В дипломном проекте рассматривается вопрос улучшения автоматизации ГПА ГТК-10-4, а именно автоматизации расхода газа на компрессорной станции №3 ЛПУ МГ "Комсомольское".

Для автоматизации расхода газа необходимо большое количество измерений параметров. Средства измерения расхода газа должны удовлетворять жестким требованиям взрывобезопасности, надежности и иметь приемлемый показатель цена/качество. Для этой цели я предлагаю использовать комплексный датчик "Гипер-Флоу-3Пм", в основу конструкции которого положен метод переменного перепада давления на сужающем устройстве и в системе с применением счетчиков и датчиков объемного расхода газа (работа в режиме корректора). Поэтому при проведении патентного поиска особое внимание было уделено анализу средств измерения расхода газа сужающим устройством.

2.2 Регламент патентного поиска

Патентный поиск проводился с использованием фондов УГНТУ по источникам патентной документации Российской Федерации. Поиск по пяти ведущим зарубежным странам не проводился в связи с отсутствием материалов в фондах УГНТУ.

Поскольку промышленное приборостроение развивается очень быстрыми темпами, и обновление приборов происходит постоянно, была выбрана глубина поиска 5 лет (2007-2011 гг.).

Поиск проводится по индексу международной патентной классификации (МПК) G01F1/68 "Индикация или измерение расхода жидких или газообразных тел, путем измерения перепада давления на сужающем устройстве".

При этом были использованы следующие источники патентной информации:

- полные описания к патентам Российской федерации;

- документы справочно-поискового аппарата;

- официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам "Изобретения";

- официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам "Изобретения. Полезные модели".

2.3 Результаты поиска

Результаты просмотра источников патентной документации приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты патентного поиска

2.4 Анализ результатов патентного поиска

Анализ просмотренных результатов показал, что различия между рассмотренными приборами проявляются только в их конструкциях. В качестве измерителя параметра используется диафрагма.

Рассмотрим некоторые аналоги, приведенные в таблице 2.1, более подробно.

Изобретение (№2343421), относится к области измерительной техники и может быть использовано для поверки бытовых счетчиков газа и счетчиков воды в местах эксплуатации. Переносная поверочная установка для бытовых счетчиков газа и счетчиков воды содержит струйный автогенератор с сужающим устройством переменного сечения, при этом установка обеспечивает измерение расхода в диапазоне от 0,5% до 100%. Погрешность в каждой точке измерения расхода не более 0,5%. Технический результат направлен на создание переносной поверочной установки для бытовых счетчиков газа и счетчиков воды с необходимыми диапазонами измерения и погрешностью измерения.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для поверки бытовых счетчиков газа и счетчиков воды в местах эксплуатации.

Известна переносная поверочная установка "Пролив-М", в состав которой входят эталонный счетчик воды, оптоэлектронные головки и электронное устройство обработки сигналов.

Недостатком этой поверочной установки является то, что она не может обеспечить поверку бытовых счетчиков газа .

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является расходомер-счетчик, содержащий корпус в виде участка трубопровода, в проточном канале которого размещено сужающее устройство (СУ), струйный автогенератор (САГ) с датчиком колебания струи, установленный в байпасном канале и своим выходным каналом соединенный с узкой частью СУ, и устройство обработки выходного сигнала САГ.

Известное устройство обеспечивает измерение расхода и объема как воды, так и газа, однако не может обеспечить диапазона измерения (200:1), необходимого для поверки бытовых счетчиков газа и счетчиков воды и необходимой погрешности измерения (не хуже 0,5%) расхода и объема.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание переносной поверочной установки для бытовых счетчиков газа и счетчиков воды с необходимым диапазоном измерения и погрешностью измерения.

Для этого в расходомере-счетчике, содержащем корпус в виде участка трубопровода, в проточной части которого размещены СУ, САГ с датчиком колебаний струи, установленный в байпасном канале и своим входом соединенный с корпусом перед сужающим устройством, и устройством обработки выходного сигнала САГ, выходной канал САГ соединен с корпусом после СУ.

СУ выполнено с изменяемым поперечным сечением, при этом площадь поперечного сечения сопла питания САГ обеспечивает измерение расхода в диапазоне от 0,5 до 8% при полностью перекрытом сечении СУ, что было определено экспериментальным путем (протоколы испытаний прилагаются, где Q=6 м³/ч - 100%; Q=0,03 м³/ч - 0,5%)

Переносная поверочная установка для бытовых счетчиков газа и счетчиков воды, содержащая корпус в виде участка трубопровода, в проточном канале которого размещено сужающее устройство, струйный автогенератор с датчиком колебаний струи, установленный в байпасном канале и своим входом соединенный с корпусом перед сужающим устройством, устройство обработки выходного сигнала струйного автогенератора, а выходной канал струйного автогенератора соединен с корпусом после сужающего устройства, отличающаяся тем, что сужающее устройство выполнено с измеряемым поперечным сечением, а струйный автогенератор выполнен с такой площадью поперечного сечения своего сопла, что при поверке счетчиков в регистрируемом ими диапазоне расходов от 0,5 до 8% упомянутое сужающее устройство установлено в положение с полностью перекрытым поперечным сечением, а при поверке счетчиков в регистрируемом ими диапазоне расходов от 8 до 100% сужающее устройство установлено в положение с полностью открытым поперечным сечением [4].

Изобретение (2369848) предназначено для использования в областях, требующих сверхчистых технологий. Емкостный датчик давления технологического флюида, выполненный в виде кольца, размещенного в потоке флюида, содержит гибкую диафрагму и электрод, интегрированный с электрическим изолятором.

Диафрагма, изолятор и электрод расположены по всей внутренней поверхности датчика, установленного вдоль потока технологического флюида в резервуаре, с возможностью перемещения диафрагмы относительно электрода под действием флюида так, что емкость между электродом и диафрагмой, образующими кольцевой конденсатор, зависит от давления флюида. Два датчика давления в виде кольцевых конденсаторов, разделенных ограничивающим поток элементом, предназначенным для создания перепада давления при помещении его в поток флюида, образуют датчик расхода.

Область техники: настоящее изобретение относится к датчику давления для измерения давления или дифференциального давления потока жидкости. Более точно, настоящее изобретение относится к датчику давления, использующему кольцевые емкостные элементы для измерения давления или направления потока и расхода флюида.

Предшествующий уровень техники: датчики давления и расхода флюида могут быть использованы во многих различных приложениях. В системах управления технологическим процессом датчики давления могут использоваться, например, для измерения избыточного давления, абсолютного давления и т.п. Кроме того, датчики расхода флюида могут использоваться для измерения расхода технологических жидкостей и формировать сигналы о расходе для индикаторов потока, устройств управления расходом и для измерения объемного расхода. Используемый в данном случае термин "флюид" относится и к жидкостям, и к газам, а также к их комбинациям. Дифференциальные датчики расхода измеряют расход флюида в трубке, сосуде или трубопроводе посредством измерения перепада давления в трубке. Вариант создания такого перепада - поместить в трубку ограничивающий поток элемент или же сам измерительный датчик для получения необходимого перепада давления. Таким ограничивающим поток элементом может быть ограничительная диафрагма, которая ограничивает поток жидкости и обеспечивает измеряемый перепад давления. В типичной системе измерения расхода на трубке с потоком флюида с обеих сторон ограничивающего поток элемента устанавливают отводы и измеряют давление на каждом отводе, при этом используют внешний датчик давления для регистрации падения давления. Импульс жидкости или заполненные жидкостью измерительные манометрические трубки передают давление на каждом из отводов на внешний датчик давления. Такие системы характеризуются относительно высокой стоимостью установки из-за необходимости монтажа внешнего датчика давления на трубке. Кроме того, в таких системах необходимо обеспечить дополнительную защиту от утечки в местах присоединения отводов к трубке, что увеличивает время монтажа и к стоимости монтажа добавляет стоимость материала. В некоторых случаях для технологического флюида или газа, для которых используется датчик давления, может потребоваться оборудование высокой или сверхвысокой чистоты.

Датчик содержит два емкостных кольцевых хомута, присоединенных ограничивающим поток сегментом (элемент перепада давления) к трубке посредством фланцев. Фланцы трубки и ограничивающий поток сегмент соединены с помощью крепежного элемента. Крепежный элемент может быть любым крепежным средством, например это могут быть заклепки, болты, винты и гайки и т.п. В предпочтительном варианте реализации крепежный элемент проходит через отверстия во фланце ограничивающего сегмента и через соответствующие отверстия фланца трубки, например, в виде болта и гайки. Датчик расхода имеет два емкостных датчика давления, разделенных ограничивающим поток сегментом. В этом варианте реализации трубка снабжена фланцем, выполненным за одно целое с трубкой и имеющим отверстие того же диаметра, что и соответствующий сегмент трубки. Таким образом, оба сегмента трубки оканчиваются фланцами с отверстиями. Фланцы трубки и фланцы снабжены крепежными отверстиями [5].

Таким образом, найденные при поиске аналоги подтвердили целесообразность применения расходомера с сужающим устройством, принцип действия которого основан на измерении перепада давления излучении электромагнитного импульса в направлении раздела сред и последующей регистрацией отраженного сигнала, для измерения раздела сред.

3. Автоматизированная система управления ГПА

3.1 Назначение системы автоматического регулирования

Основная задача системы автоматического регулирования (САР) - поддержание заданного режима работы газотурбинной установки, т.е. обеспечение требуемой мощности при установлении частот вращения валов турбин и температуры продуктов сгорания ниже предельно допустимых значений. Необходимая мощность ГТУ, частота вращения силового вала и температура продуктов сгорания перед ТВД регулируются САР путем изменения количества топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Другой важнейшей функцией, выполняемой САР, является экстренная остановка ГТУ в ситуациях, предвещающих аварию.

3.1.1 Устройство системы регулирования

Система автоматического регулирования ГТУ выполнена по схеме непрямого регулирования с пневматическими серводвигателями и усилителями. Воздух для работы системы отбирается из станционного коллектора сжатого воздуха, в который подается через отборы из осевых компрессоров, работающих ГПА или от поршневого компрессора с приводом от электродвигателя переменного тока. Перед использованием в системе воздух охлаждается и очищается в блоке воздухоподготовки. Давление воздуха в САР поддерживается 0,14 МПа регулятором давления "после себя". Электромагнитный вентиль (ЭМВ5) на подводящем трубопроводе к регулятору давления (РД) используется для отключения подачи воздуха к системе, когда агрегат остановлен.

Основными регулирующими органами системы являются стопорный (СК) и регулирующий (РК) клапаны. Положение РК определяет количество газового топлива, подводимого к камере сгорания. В качестве привода этих клапанов используются мембранные пневматические сервомоторы.

Основным регулятором в системе является регулятор скорости (РС), поддерживающий заданную частоту вращения вала нагнетателя. Импульсом РС служит напор масла от насоса-импеллера, установленного на валу ТНД. Регулятор скорости снабжен механизмом датчика частоты вращения (двигателем регулятора скорости - ДРС), подключенным к системе автоматического управления. На работающем агрегате ДРС можно управлять дистанционно с помощью кнопок "РС ВЫШЕ" и "РС НИЖЕ", расположенных на пульте управления ГПА.

Основные связи в пневматической системе обеспечиваются тремя линиями - постоянного давления, проточной и предельного регулирования. В проточную линию воздух поступает из линии постоянного давления через дроссельную шайбу диаметром 4 мм. Проточная линия осуществляет связь между РС, ограничителем приемистости (ОП), золотником с электромагнитным приводом (ЭМП) малоинерционного регулятора температуры, золотником отсечным (ЗО) и серводвигателем регулирующего клапана. В РС, ЭМП и ОП воздух из проточной линии может выпускаться в атмосферу.

Количество выпускаемого воздуха определяет давление в проточной линии, а оно, в свою очередь, положение РК и выпускных клапанов (ВВК1, ВВК2). По мере снижения давления в проточной линии РК прикрывается, а при увеличении давления - открывается.

Воздух в линию предельного регулирования поступает из линии постоянного давления через дроссельную шайбу диаметром 3,3 мм. Эта линия связывает регулятор скорости, электромагнитные вентили ЭМВ1 и ЭМВ2, серводвигатель стопорного клапана, пневматические выключатели (ПВ) автоматов безопасности вала силовой турбины (АБ тнд), вала турбокомпрессора (АБ твд) и вала турбодетандера (АБ тд). Давление в линии предельного регулирования определяет положение стопорного клапана.

Стопорный клапан открыт, если в РС, ЭМВ1, ЭМВ2 и ПВ выпуск воздуха в атмосферу перекрыт и давление в линии предельного регулирования равно 0,14 МПа. При открытии сброса воздуха в одном из перечисленных устройств давление в линии снижается, и СК закрывается.

Ограничитель приемистости (ОП) предназначен для ограничения максимальной температуры (не более плюс 800С) продуктов сгорания, поступающих в ТВД. Ограничитель приемистости устанавливает максимально возможное открытие РК по подаче топлива в камеру сгорания в зависимости от давления воздуха за компрессором. Работает ОП по принципу ограничения давления воздуха в проточной линии.

В нагнетании осевого компрессора установлены два воздушных выпускных клапана (ВВК1 и ВВК2), работающих параллельно. Эти клапаны сбрасывают в атмосферу воздух при остановке ГПА или при сбросе нагрузки. В первом случае выпуск воздуха сокращает время выбега роторов турбины и продувки горячей проточной части холодным воздухом, во втором - снижает заброс частоты вращения ротора силовой турбины.

Отсечной золотник (ЗО) используется для усиления управляющего импульса к выпускным клапанам. К золотнику подводится воздух из двух линий - постоянного давления и проточной. При снижении давления в проточной линии до 0,040,05 МПа золотник отсекает подвод воздуха из линии постоянного давления к выпускным клапанам, и они открываются под действием потока воздуха из ОК.

В целях предохранения осевого компрессора от помпажа на пуске ГТУ за его четвертой ступенью установлено непосредственно на корпусе компрессора восемь сбросных клапанов (СБК) для выпуска части воздуха в атмосферу. В период пуска ГТУ, когда давление за четвертой ступенью ОК низкое, клапаны под действием пружины удерживаются в открытом положении. По мере увеличения частоты вращения компрессорного вала растет перепад давления воздуха, действующий на тарелку клапана и создающий усилие для его закрытия. СБК закрываются при достижении частоты вращения вала компрессора 4200-4300 мин-1.

Автоматы безопасности (АБ) предназначены для остановки турбоагрегата при увеличении частоты вращения роторов до предельно допустимого значения. ТВД, ТНД и ТД защищают бойковые автоматы безопасности. При вращении вала ротора на боек АБ действует центробежная сила, которая при частоте вращения ниже допускаемой уравновешивается натяжением пружины. При достижении предельной частоты вращения центробежная сила, действующая на боек, и натяжение пружины сравниваются. Дальнейшее повышение оборотов вызывает увеличение центробежной силы, и боек, сжимая пружину, выходит из вала, ударяет по рычагу, вызывая срабатывание пневматического выключателя (ПВ). В пневматическом выключателе открывается клапан, давление в линии предельного регулирования падает, закрывается стопорный клапан, турбина останавливается. Автоматы безопасности турбодетандера (АБтд) и турбокомпрессорного вала (АБтвд) воздействуют на один пневматический выключатель. Автомат безопасности силового вала (АБтнд) воздействует на свой выключатель. Все три АБ конструктивно оформлены одинаково. Отличаются они, в основном, только размерами бойка.

3.1.2 Предпусковое состояние системы регулирования

Перед пуском газоперекачивающего агрегата электромагнитный вентиль ЭМВ5 закрыт. Воздух из станционного коллектора не подается в систему регулирования.

Регулятор скорости находится в исходном состоянии - "РС МАХ". Открыты в нем полностью сбросы воздуха из линий предельного регулирования и проточной. Избыточное давление воздуха в этих линиях отсутствует, стопорный и регулирующий клапаны под действием своих пружин удерживаются в закрытом положении. Выпускные воздушные клапаны (ВВК1 и ВВК2) закрывают выход воздуха из нагнетателя компрессора.

Отсутствует напряжение на электромагнитных вентилях ЭМВ1, ЭМВ2, и они закрыты. Выпуск воздуха из линии предельного регулирования через эти вентили перекрыт.

В дроссельном золотнике с электромагнитным приводом и ограничителе приемистости (ОП) отверстия для выпуска воздуха из проточной линии перекрыты.

Пневмовыключатели автоматов безопасности находятся в рабочем положении. Сброс воздуха из линии предельного регулирования через их клапаны перекрыт.

3.1.3 Работа системы регулирования при пуске турбины

Пуск турбины начинается с включения пускового насоса и маслонасоса уплотнения на первом этапе пуска. Открывается электромагнитный вентиль ЭМВ5, подавая воздух из станционного коллектора в систему регулирования. При повышении давления на смазку подшипников турбины до 0,05 Мпа и на смазку опорно-упорного подшипника нагнетателя до 0,3 Мпа включается (встает в дежурный режим) защита по давлению масла смазки. Включается электродвигатель регулятора скорости (ДРС) на непрерывное вращение. Регулятор скорости (РС) смещается "НИЖЕ", закрывается сброс воздуха из линии предельного регулирования. Давление в этой линии увеличивается до 0,14 МПа, и стопорный клапан открывается.

Включается валоповоротное устройство (ВПУ), а затем и турбодетандер (ТД). Ротор турбокомпрессора страгивается с места и разгоняется. С увеличением частоты вращения вала ТВД отключается валоповорот, и затем по сигналу реле давления воздуха за компрессором зажигается факел в камере сгорания.

На четвертом этапе пуска при появлении сигнала - температура за ТНД не ниже плюс 100С - включается ДРС на непрерывное вращение, и регулятор скорости перемещается в направлении "ВЫШЕ". Начинает прикрываться сброс воздуха из проточной линии, давление в ней повышается. Когда давление в ней поднимется до 0,04-0,05 МПа, переставляется отсечной золотник (ОЗ) и подает воздух из линии постоянного давления к выпускным клапанам (ВВК1, ВВК2). Клапаны будут принудительно закрыты не только усилием пружин, но и давлением воздуха над тарелками клапанов, равным давлению за компрессором. При повышении давления в проточной линии до 0,06 МПа открывается на 1,5 мм регулирующий клапан, загораются основные горелки в камере сгорания. Турбина прогревается.

Двигатель регулятора скорости переключается на импульсное вращение "ВЫШЕ". Регулирующий клапан постепенно открывается. Увеличивается частота вращения валов ТВД и ТНД.

Ограничитель приемистости (ОП) по давлению воздуха за компрессором приоткрывает сброс воздуха из проточной линии, ограничивая тем самым скорость открытия РК.

При частоте вращения вала ТВД примерно 2500 мин-1 турбина становится самоходной. По сигналу реле скорости отключается турбодетандер.

Когда частота вращения вала турбокомпрессора достигнет 39004200 мин-1, компрессор выйдет из зоны "запрещенных" оборотов. Сбросные клапаны (СБК) от действия на них давления воздуха автоматически закроются.

Пуск заканчивается, когда на силовом валу установится минимальная частота вращения 3300 мин-1. Двигатель регулятора скорости останавливается. Управление ДРС с этого момента возможно с пульта управления ГПА. Поддержание заданной частоты вращения силового вала будет осуществляться автоматически регулятором скорости.

3.1.4 Работа системы регулирования при поддержании заданной скорости силового вала

Поддержание заданной частоты вращения силового вала (в пределах от минимальной - 3300 мин-1 до максимальной- 5000 мин-1) осуществляется следующим образом. Если по какой-либо причине частота вращения ТНД снизится, то из-за уменьшения напора на импеллере поршень в регуляторе скорости опустится вниз. Выпуск воздуха из проточной линии уменьшится, давление в ней возрастет. Регулирующий клапан приоткроется, и снижение частоты вращения прекратится. При повышении частоты вращения ТНД регулятор скорости действует в обратном порядке. Снижается давление в проточной линии, и регулирующий клапан прикрывается. Неравномерность работы регулятора скорости при номинальной частоте вращения составляет 4-5. При работе агрегата давление в проточной линии изменяется в пределах от 0,06 до 0,12 МПа. Это изменение соответствует полной перестановке регулирующего клапана.

В случае мгновенного сброса нагрузки и резком увеличении частоты вращения ТНД регулятор скорости может увеличить выпуск воздуха из проточной линии настолько, что закроется регулирующий клапан и откроются выпускные клапаны. После открытия выпуска воздуха за ОК увеличение частоты вращения вала ТНД прекратится. Когда частота вращения с учетом имеющейся неравномерности восстановится и выпускные клапаны закроются, регулирующий клапан откроется на величину, необходимую для поддержания заданной частоты вращения уже для сниженной нагрузки.

3.1.5 Работа системы регулирования при остановке турбины

Остановка турбины может быть нормальной и аварийной. Нормальная остановка производится с постепенным разгружением.

Включается электродвигатель регулятора скорости на импульсное вращение, сдвигая регулятор скорости в направлении "НИЖЕ". Приоткрывается сброс воздуха из проточной линии, регулирующий клапан постепенно прикрывается, уменьшая подачу топлива в камеру сгорания. Снижается частота вращения валов турбины. При снижении давления в проточной линии ниже 0,06 МПа регулирующий клапан закрывается. Подается напряжение на электромагнитные вентили ЭМВ1 и ЭМВ2, они открываются. Воздух из линии предельного регулирования сбрасывается в атмосферу, закрывается стопорный клапан. Падение давления в линии предельного регулирования приводит к дополнительному открытию сброса воздуха через регулятор скорости из проточной линии. Со снижением давления в проточной линии ниже 0,04 МПа переставляется отсечной золотник, перекрывая подачу воздуха из линии постоянного давления к выпускным клапанам. Выпускные клапаны за компрессором открываются, сбрасывая воздух из трубопровода после ОК. В результате перекрытия подачи топлива и выпуска воздуха после осевого компрессора турбина быстро останавливается. При снижении давления воздуха за четвертой ступенью ОК открываются сбросные клапаны.

После закрытия стопорного клапана по сигналу от конечного выключателя двигатель РС переключается на непрерывное вращение в другую сторону. Происходит перемещение регулятора скорости в направлении "ВЫШЕ" и возвращение его в исходное состояние "МАХ".

Аварийная остановка турбины производится по сигналу из системы управления ГПА при срабатывании одной из защит или нажатии кнопки "АО" на пульте управления. Аварийная остановка может быть проведена воздействием на любую из пневматических кнопок аварийной остановки автоматов безопасности. В первом случае электромагнитные вентили ЭМВ1 и ЭМВ2 открываются, во втором случае срабатывают пневматические выключатели автоматов безопасности. В обоих случаях из линии предельной защиты в атмосферу сбрасывается воздух. Давление в линии резко снижается, и стопорный клапан закрывается. Одновременно в регуляторе скорости открывается сброс из проточной линии. Давление в ней снижается, что приводит к закрытию регулирующего клапана и открытию выпускных клапанов. После закрытия стопорного клапана двигатель регулятора скорости (ДРС) включается на непрерывное вращение и перемещает регулятор скорости в направлении "ВЫШЕ", возвращая его в исходное состояние "МАХ".

Экстренная остановка одного из последовательно работающих агрегатов может вызвать помпаж нагнетателя другого агрегата, который остается в работе. Избежать этого можно, если откроются байпасирующие краны. На оставшемся в работе агрегате происходит сброс нагрузки, и частота вращения силового вала турбины резко возрастает. Это может привести к срабатыванию автомата безопасности на валу ТНД и остановке агрегата.

Для снижения динамического превышения частоты вращения силового вала в системе регулирования предусмотрен электромагнитный вентиль ЭМВ4, установленный на трубопроводе слива масла из импульсной линии регулятора скорости.

Перед сливным трубопроводом на импульсной линии установлена дроссельная шайба диаметром 5 мм. Когда вентиль ЭМВ4 закрыт, регулятор скорости выполняет свои функции нормально.

По импульсу аварийной остановки одного из работавших в паре агрегатов на оставшемся в работе открывается ЭМВ4. Давление масла над поршнем регулятора скорости падает, увеличивается выпуск воздуха из проточной линии.

Прикрывается регулирующий клапан, и, возможно, открываются выпускные клапаны, чем предупреждается заброс частоты силового вала

Электромагнитный вентиль ЭМВ4 закрывается через 5-10 с, давление над поршнем в регуляторе скорости восстанавливается, и регулирующий клапан устанавливается в положение, соответствующее новой нагрузке [5].

3.2 Система автоматического управления

3.2.1 Назначение и состав

Система централизованного контроля и управления газотурбинными газоперекачивающими агрегатами А-705-15 как уже отмечалась ранее предназначена для работы в составе систем агрегатной автоматики автоматизированных ГПА на компрессорных станциях магистрального газопровода.

В состав установки А-705-15-03 входят:

- устройство представления информации (УПИ) А 690-05-03;

- устройство нормализации и сигнализации (УНС) А 323-31-05;

- устройство логической обработки информации (УЛОИ) А356-32-01;

- стойка коммутационная (СК) Б-13.176.19;

- стойка монтажного оборудования (СМО) Б-13.176.37,38.

3.2.2 Устройство нормализации и сигнализации