Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомогательного оборудования

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. В. Скороходов, В. Л. Блинов, О. В. Комаров

ИСПЫТАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ 
ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ 
И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
13.04.03 — Энергетическое машиностроение

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 621.438(075.8)
ББК 31.363я73
          С44
Рецензенты:
проф., д‑р техн. наук С. М. Шанчуров (завкафедрой энергетики Уральского государственного лесотехнического университета);
канд. техн. наук Т. Л. Шибаев (главный конструктор АО «Уральский турбинный завод»)

Научный редактор проф., канд. техн. наук Б. С. Ревзин

 
Скороходов, А. В.
С44    Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомогательного оборудования : учебное пособие / А. В. Скороходов, В. Л. Блинов, О. В. Комаров ; Мин‑во науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 132 с.

ISBN 978‑5‑7996‑3151‑2

В издании описаны испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов 
и вспомогательного оборудования, эксплуатируемого на компрессорных станциях 
отечественной газотранспортной системы. Представлена информация о парке измерительного оборудования, изложены методики проведения теплотехнических 
испытаний газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомогательного оборудования, описаны методики обработки экспериментальных данных.
Учебное пособие предназначено для студентов всех курсов, обучающихся по направлению «Энергетическое машиностроение», слушателей системы подготовки, переподготовки и повышения квалификации специалистов газотранспортных предприятий и энергетического комплекса.

Библиогр.: 16 назв. Табл. 10. Рис. 40. Прил. 3.

УДК 621.438(075.8)
ББК 31.363я73

ISBN 978‑5‑7996‑3151‑2 
 © Уральский федеральный

 
     университет, 2020

Оглавление

Введение ................................................................................................ 5

1. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов 
и вспомогательного оборудования .................................................... 7
1.1. Понятие эксперимента ............................................................. 7
1.2. Виды испытаний ГТУ ............................................................... 8

1.2.1. Научно‑исследовательские работы ................................ 8
1.2.2. Опытные испытания ....................................................... 9
1.2.3. Серийные испытания .................................................... 11
1.2.4. Эксплуатационные испытания ..................................... 12

1.3. Виды измерений основных параметров ................................ 13
1.4. Средства измерений при экспериментальных 
исследованиях газотурбинных газоперекачивающих 
агрегатов .................................................................................. 18
1.4.1. Измерение давления ..................................................... 18
1.4.2. Средства и методы измерения температуры ................ 28
1.4.3. Цветовые температурные индикаторы ......................... 39
1.4.4. Измерение скоростей потока ........................................ 41
1.4.5. Измерение расходов жидкостей и газов ....................... 42
1.4.6. Измерение расходов жидкости ..................................... 43
1.4.7. Измерение силы ............................................................ 48
1.4.8. Измерение частоты вращения ...................................... 51
1.4.9. Измерение вибрации ..................................................... 53
1.4.10. Измерение радиальных зазоров .................................. 53

1.5. Определение погрешности измерений .................................. 57
1.6. Методы испытаний газотурбинных установок ..................... 59

1.6.1. Измерение электрической мощности .......................... 63
1.6.2. Измерение механической мощности ........................... 64
1.6.3. Метод балансов энергии ............................................... 65
1.6.4. Прямые методы измерения мощности ГТУ ................. 67
Контрольные вопросы к главе 1 ................................................... 68

2. Тепловые испытания газотурбинных установок 
в заводских условиях ........................................................................... 69

2.1. Особенности испытаний в заводских условиях .................... 69
2.2. Схема измерений и измерительные устройства .................... 72
2.3. Обработка экспериментальных данных ................................ 78
Контрольные вопросы к главе 2 ........................................................ 84

Оглавление

3. Теплотехнические испытания газотурбинных 
газоперекачивающих агрегатов в условиях эксплуатации .............. 85
3.1. Особенности испытаний в условиях эксплуатации .............. 85
3.2. Программа испытаний и схема измерений ........................... 88

3.2.1. Общие положения программы испытаний .................. 88
3.2.2. Подготовительные работы ............................................ 88
3.2.3. Порядок проведения испытаний .................................. 89
3.2.4. Методика испытаний .................................................... 90

3.3. Методика обработки экспериментальных данных ............... 94
3.4. Понятие коэффициента технического состояния 
ГТУ и ЦБК .............................................................................102
Контрольные вопросы к главе 3 ..................................................111

4. Испытания вспомогательного оборудования 
      компрессорных станций .................................................................112

4.1. Вспомогательное оборудование компрессорной станции ...112
4.2. Эксплуатационные испытания установок охлаждения газа ....114
4.2.1. Основные положения...................................................114
4.2.2. Цель и объем эксплуатационных испытаний .............116
4.2.3. Программа и методика эксплуатационных 
            испытаний  ...................................................................116
4.2.4. Оформление документации .........................................120

4.3. Методика обработки результатов испытаний ГТУ 
        с регенерацией теплоты уходящих газов ..............................121
Контрольные вопросы к главе 4 ..................................................125

Список используемой литературы ......................................................126

Приложение 1
Принципиальная технологическая схема  
установки охлаждения газа ..........................................................128
Приложение 2
Принципиальная схема измерений при испытаниях  
установки охлаждения газа ..........................................................129
Приложение 3
Перечень измерений и погрешностей измерительных 
приборов при испытаниях установок охлаждения газа ..............130

Введение

Т

епловое испытание — одно из множества возможных видов 
экспериментальных исследований, проводимых на газотурбинных установках (ГТУ).
Цель тепловых испытаний — определение основных характеристик 
ГТУ: развиваемой полезной мощности и топливной экономичности, 
количественно выражающейся в величине эффективного КПД. Условия проведения таких испытаний и направленность использования их 
результатов определяются стадией жизненного цикла ГТУ. На стадии 
отработки конструкции ГТУ задача тепловых испытаний — получение 
данных об эффективности новых конструкторских решений, предлагаемых разработчиками, а также проверка соответствия характеристик 
ГТУ требованиям, сформулированным в задании на проектирование. 
На этой стадии испытания проводят на стендах заводов‑изготовителей 
или на стендах, размещенных на опытно‑промышленных станциях. 
В этих условиях ГТУ может работать со штатной нагрузкой или быть 
оснащена специальными нагрузочными устройствами для измерения 
мощности. При испытаниях на заводском стенде могут быть использованы специальные измерительные устройства для подробного и тщательного определения параметров рабочих тел в сечениях трактов ГТУ.
На стадии эксплуатации ГТУ задача тепловых испытаний — определение фактических характеристик агрегата, меняющихся с течением времени под действием эксплуатационных факторов, т. е. оценка 
ее технического состояния, а также получение данных о результативности модернизаций, проводимых для улучшения показателей.
При испытаниях, проводимых в условиях промышленной эксплуатации, ГТУ нагружена приводимым агрегатом. Необходимо ориентироваться в основном на измерительные приборы в штатной конфигурации, а возможность установки дополнительных измерительных 
устройств ограничена.

Введение

Принципы проведения тепловых испытаний стационарной ГТУ 
должны удовлетворять требованиям основного нормативного документа — ГОСТ 20440–75 «Установки газотурбинные. Методы испытаний». 
При этом следует учитывать требования ГОСТ 21199–75 «Установки газотурбинные. Общие технические требования» и ГОСТ 28775–90 «Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия». В газотранспортной отрасли при испытаниях ГТУ 
действуют положения отраслевого документа ПР 51‑31323949‑43‑99 
«Методические указания по проведению теплотехнических и газодинамических расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих агрегатов».

1. Испытания газотурбинных 
газоперекачивающих агрегатов 
и вспомогательного оборудования

1.1. Понятие эксперимента

Б

ольшой энциклопедический словарь дает такое понятие, как 
эксперимент (от лат. experimentum — проба, опыт) — чувственно‑предметная деятельность в науке; в более узком смысле — 
опыт, воспроизведение объекта познания, проверка гипотез и т. п.
В современной науке и технике нашли широкое распространение 
два подхода к эксперименту — физический и математический. При математическом подходе эксперимент проводится виртуально, все явления и процессы опираются на известные физические законы и описаны математическим аппаратом. Достоинство такого эсперимента:
· сравнительно низкая стоимость;
· высокая скорость проведения;
· высокая скорость внесения изменений.
Недостаток:
· не все явления и процессы имеют однозначное описание физическими и математическими средствами (наиболее яркий пример — явление турбулентности);
· с ростом объема и детальности модели падает скорость проведения эксперимента.
При физическом подходе эксперимент проводится над реальным объектом в лабораторных или приближенных к ним условиях. Объекты 
могут быть как полномасштабными, так и модельными.
К достоинствам данного подхода можно отнести:
· наибольшую достоверность полученных результатов;
· возможность исследовать сложные, комплексные явления.

1. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомогательного оборудования

К недостаткам относятся:
· высокая стоимость;
· высокая длительность;
· сложность или невозможность организации измерений в произвольных точках объекта.
В данном пособии рассматриваются особенности физического подхода к экспериментальным исследованиям газоперекачивающих агрегатов.

1.2. Виды испытаний ГТУ

В действительности существует деление экспериментальных исследований на различные виды, при этом классификация может  
варьироваться в зависимости от отрасли и приоритетов, предъявляемых к данному устройству. Приведем классификацию, характерную 
для ГТУ (ГПА) и ГТД:
· научно‑исследовательские работы (НИР);
· опытные испытания;
· серийные испытания;
· эксплуатационные испытания.
Рассмотрим каждый вид более подробно и определим, для каких 
этапов разработки ГПА характерны данные исследования и на базе 
каких исследовательских организаций они проводятся.

1.2.1. Научно-исследовательские работы

Цели таких исследований — изучение и анализ процессов и явлений в ГТУ. При этом изучаются:
· термодинамические процессы;
· газодинамические процессы;
· процессы горения;
· статическая, динамическая и термопрочность деталей;
· характеристики отдельных узлов.
Как правило, научно‑исследовательские работы проводят в следующих обстоятельствах:

1.2. Виды испытаний ГТУ

· при разработке принципиально новых конструкций;
· при существенном росте параметров (температуры, давления);
· в целях достижения предельных показателей;
· при выявлении необычного поведения или необъяснимых, исходя из опытных представлений, фактов.
Как правило, при научно‑исследовательских работах исследуются 
отдельные явления, деталь, процесс, узел, фактор, параметр. Приведем для примера ряд подобных объектов исследований:
· входное устройство;
· диффузор;
· камера сгорания;
· сопловой аппарат;
· подшипник и т. д.
Как правило, научно‑исследовательские работы проводят на моделях, построенных на основе теории подобия, что дает значительную экономию вследствие меньших энергетических и материальных 
затрат. Однако известно, что ряд явлений и узлов возможно исследовать только на полноразмерных устройствах.
Результатом НИР являются знания о характере протекания процессов и причинах возникновения явлений. Такие знания развивают теорию процессов и методы расчетов.
НИР проводят в НИИ РАН, вузах, исследовательских подразделениях КБ и заводов.

1.2.2. Опытные испытания

Цель опытных испытаний (ОИ) — отработка рабочего процесса 
и конструкции ГТУ. Как правило, проводятся на головном образце 
ГТУ, т. е. на реально сконструированной и изготовленной машине 
и обычно на заводском стенде.
При ОИ используются результаты НИР. Нередко ОИ заменяют 
НИР при невозможности воспроизведения явления вне конструкции 
ГТУ из‑за его сложности, комплексности, взаимовлияния факторов 
(радиальные, осевые зазоры, вибрации, помпаж).
ОИ включают в себя:
· доводочные испытания узлов и агрегатов;
· доводочные испытания машин;