Исследования и наладка Активных магнитных подвесов

Согласно «Концепции энергосбережения и повышения энергоэффективности на 2011–2020 гг» ОАО «Газпром» планируется «повышение энергетической эффективности основных и вспомогательных производств».

Активный магнитный подвес (АМП) роторов центробежных нагнетателей природного газа (ЦБН ПГ) обладает в области энергосбережения огромным потенциалом. Можно привести примеры, когда перевод центробежного нагнетателя природного газа на АМП позволил не только уменьшить механические потери на трение (на 70 %), ликвидировать маслосистему (преимущества такого решения не требуют пояснений), но и существенно снизить габариты агрегата.

Вместе с тем, с точки зрения динамики роторных машин, агрегаты на АМП обладают целым рядом специфических особенностей и проблем.

В отличие агрегатов на подшипниках скольжения, вибрация вала которых связана, прежде всего, с наличием сил, вызывающих перемещения ротора, вибрация роторов на магнитном подвесе очень тесно связана и с настройкой САУ АМП.

Одним из направлений деятельности ООО «НПП «Уральская лаборатория вибрации» является изучение проблем динамики агрегатов на магнитном подвесе и разработка методов вибрационной диагностики таких агрегатов. Работы ведутся совместно с Национальным исследовательским Томским политехническим университетом, Инженерным центром ООО «Газпром трансгаз Ухта» и Уральским федеральным университетом.

Особенностью агрегатов, оснащенных магнитным подвесом роторов, является, например, низкая жесткость опорной системы, которая, с одной стороны, является причиной повышенной чувствительности таким машин к дисбалансам, а с другой – предопределяет практически во всех случаях недостаточную степень отстройки от резонансных частот. Еще одной особенностью агрегатов на АМП является низкий уровень демпфирования роторных систем.

Последнее, в свою очередь, является причиной того, что агрегаты на АМП крайне чувствительны к различного рода возмущениям газодинамического характера, которые имеют место в проточной части центробежных нагнетателей природного газа.

Наличие подобных возмущений в проточной части приводит к срыву агрегата в низкочастотную вибрацию с частотами, соответствующими первым двум собственным частотам ротора. Как правило, в рассматриваемых случаях довольно тяжело найти корреляцию между технологическими параметрами или режимами работы агрегата и его вибрационным состоянием. Другими словами, рост низкочастотных составляющих вибрации в спектрах вибрации вала носит во многом случайный характер (пульсации, срывные явления и т.д.).

В таких условиях наиболее эффективным путем борьбы с НЧВ является демпфирование в подшипниках или существенное изменение жесткости опор. Последнее целесообразно может быть только в случае узкополосного возмущения, совпадающего с одной из собственных частот, и позволяет отстроить систему от резонанса.

Если же причиной неудовлетворительно вибрационного состояния агрегата является НЧВ газодинамического характера (циркуляционные силы), источник которой располагается в уплотнениях, то требуется конструктивное решение, позволяющее существенно уменьшить жесткость таких сил. Увеличение демпфирования в подшипниках (путем изменения дифференциальных коэффициентов ПИД – регулятора) в случае автоколебаний не является эффективным средством улучшения вибрационного состояния нагнетателей.

В отличие от возмущений случайного характера, подтверждением возникновения НЧВ именно вследствие действия циркуляционных сил в проточной части являются следующие признаки:

  • срыв происходит при достижении какой-либо мощности (степени сжатия) или какой-либо частоты вращения, а эти значения мощности и частоты вращения называют «пороговыми»;
  • Частота колебаний ниже частоты вращения более чем в 2 раза, что характерно для возникновения автоколебаний.
  • Колебания развиваются (поддерживаются) с частотой наиболее возбуждаемой (низшей) формы колебаний.
  • Существуют признаки появления следов НЧВ до возникновения срыва в автоколебания и потери устойчивости (присутствие в спектре следов НЧВ).

Представленные выше материалы были получены и сформулированы по результатам наладки агрегатов на магнитном подвесе, эксплуатируемых ООО «Газпром трансгаз Томск» и ООО «Газпром трансгаз Ухта». В одних случаях в ходе исследований было показано, что причиной низкой вибрационной надежности агрегатов была некорректная работа системы регулирования магнитным подвесом, а в других – неконсервативные силы в проточной части.

Для решения проблемы низкой вибрационной надежности агрегатов во втором случае было предложено конструктивное решение по доработке втулки наддуммисного уплотнения, которое снизило уровень циркуляционных сил в проточной части, что расширило диапазон работы агрегатов до паспортных характеристик.

Результаты работ подтверждены отзывами ООО «Газпром трансгаз Томск» и ООО «Газпром трансгаз Ухта».

В настоящее время коллектив ООО «НПП «Уральская лаборатория вибрации» продолжает работы в данном направлении. В частности, ведется разработка методов диагностики агрегатов на магнитном подвесе, а также изучаются особенности проведения балансировки таких агрегатов в собственных опорах.