автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Методологические основы и базовые технологии стабилизации потока в нагнетательных системах с поршневыми газоперекачивающими агрегатами

[С if .

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи УДК 622.691.4.052.12

Засецкий Владимир Георгиевич

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОТОКА В НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С ПОРШНЕВЫМИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИМИ АГРЕГАТАМИ

Специальность 05.15.13 Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,

баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................5

Глава 1 АНАЛИЗ СТРУКТУР, СОСТАВА И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ КОМПРИМИРОВАНИЯ В НЕФТЕГАЗОВОМ КОМПЛЕКСЕ......................18

1.1. Общие принципы и подходы к проектированию систем компримирования............18

1.2. Анализ режимов компримирования и их параметров................................................20

1.3. Анализ используемого компрессорного оборудования.............................................26

1.4. Применяемые виды регулирования производительности нагнетательных систем .. 36

1.5. Анализ состава, структур и режимов работы компрессорных установок.................42

1.6. Анализ структурных схем компрессорных цехов и станций......................................49

1.7. Классификация элементов трубопроводных коммуникаций.....................................54

1.8. Анализ и классификация совокупности параметров, определяющих характеристики пульсирующего потока газа основных типов ГПА...........................................................61

1.9. Анализ систем компримирования в нефтегазовом комплексе...................................64

1.10. Основные выводы по результатам анализа...............................................................78

Глава 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ КС СПГПА...................................................................................................................................83

2.1. Общая постановка задачи............................................................................................83

2.2. Анализ работ по исследованию газодинамических режимов работы трубопроводов и возможностей использования изложенных в них результатов

для расчета КС с ПГПА.......................................................................................................86

2.3. Особенности организации вычислительного процесса для данного класса задач ... 90

2.4. Оценка особенностей, эффективности и границ применения метода электроаналогового моделирования..................................................................................94

2.5. Основные положения разрабатываемой методологии математического моделирования на ЭВМ......................................................................................................98

2.6. Сопоставительный анализ методов электроаналогового и математического моделирования и разработка методики комплексного моделирования на ЭВМ...........107

2.7. Базовый вычислительный алгоритм..........................................................................111

2.8. Методология адаптации базового алгоритма для расчета типовых нагнетательных систем.................................................................................................................................115

Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПОТОКА ГАЗА ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ КС С ПГПАВ РЕАЛЬНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ.....................................127

3.1. Выбор модели для проведения исследований..........................................................127

3.2. Оценка степени влияния термодинамических параметров на величину неравномерности давления газа в коммуникациях..........................................................129

3.3. Исследование влияния изменения степени повышения давления...........................137

3.4. Исследование влияния ступенчатого регулирования производительности............142

3.5. Исследование влияния на величину S плавного регулирования

производительности..........................................................................................................146

3.6. Исследование влияния конструктивных характеристик технологических линий на величину 5..........................................................................................................................151

3.7. Исследование взаимовлияния компрессорного цилиндра и линий всасывания и нагнетания.........................................................................................................................154

Глава 4 РАЗРАБОТКА КРИТЕРИАЛЬНЫХ ОЦЕНОК ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОТОКА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ..........................................................................................156

4.1. Оценка эффективности гасителей пульсаций давления...........................................156

4.2. Определение вида интегральных характеристик для оценки степени стабилизации потока газа в трубопроводных системах КС с ШЛА.....................................................162

4.3. Выбор обобщенного алгоритма стабилизации потока

в нагнетательных системах..............................................................................................166

4.4. Критерии и оценки экономичности широкодиапазонных

нагнетательных систем.....................................................................................................168

4.5. Выбор критериальных оценок для определения экономичности нагнетательных систем и реализация комплексного алгоритма проектировщика...................................176

Глава 5 МЕТОДОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ И КРИТЕРИАЛЬНЫХ ОЦЕНОК ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ.......... .... 181

5.1. Общая методология организации решения практических задач по стабилизации параметров пульсирующего потока в широкодиапазонных системах...........................181

5.2. Методика условной оптимизации нагнетательных систем......................................185

5.3. Методика расчета трубопроводных систем действующих КС.................................187

5.4. Методика расчета трубопроводных систем проектируемых КС..............................191

5.5. Разработка унифицированных буферных емкостей..................................................194

5.6. Применение разработанных методов для создания типовых схем нагнетательных систем.....................................................................................................198

5.7. Анализ особенностей организации и проведения экспериментальных работ

на промышленных объектах.............................................................................................201

Глава 6 ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ И ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НЕФТЕГАЗОВОМ КОМПЛЕКСЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОМПРИМИРОВАНИЯ...................212

6.1. Особенности адаптации расчетных методов для нагнетательных систем постоянной структуры со стабильными режимами компримирования..............................................212

6.2. Адаптация обобщенной методологии стабилизации потока газа для широко- и мегадиапазонных нагнетательных систем постоянной структуры.................................216

6.3. Адаптация обобщенной методологии для нагнетательных систем переменной структуры с широко- и мегадиапазонными режимами компримирования....................218

6.4. Отработка комплексной методологии обеспечения надежности, экономичности и безопасности нагнетательных систем с ПГПА на примере АГНКС...............................226

6.5. Анализ эффективности и технического уровня разработанных методов и средств в процессе их внедрения для КС США...............................................................................235

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................249

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................255

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................................279

ВВЕДЕНИЕ

Высокие темпы развития нефтяной и газовой промышленности в конце 60-х годов привели к необходимости значительного увеличения объемов компримирования природного и попутного нефтяного газа. Интенсификация процессов добычи, транспорта, подземного хранения, распределения, переработки, охлаждения и использования углеводородного сырья потребовала создания и внедрения в производство нового поколения высокоэффективных компрессорных машин, технологических процессов, установок и аппаратов.

Главным условием обеспечения требуемых темпов развития нефтегазового комплекса стало нарастающее увеличение мощности и производительности промышленных нагнетательных систем при минимизации резервирования компрессорного оборудования и значительном расширении диапазонов изменения эксплуатационных режимов. Это потребовало проведения большого объема научных исследований по отработке и внедрению современных и перспективных типов и модификаций нагнетательного и технологического оборудования, новых подходов и технологий решения задач, связанных с проектированием и эксплуатацией установок, цехов и предприятий, представляющих повышенную опасность для человека и окружающей среды.

Для газовой и нефтяной промышленности вопросы исключения аварийных ситуаций, повышения надежности, экономичности и безопасности нагнетательных установок, а также ускорения сроков ввода их в эксплуатацию приобрели особо важное значение в связи со значительным расширением строительства в труднодоступных районах с суровыми климатическими условиями, удаленностью объектов от производителей оборудования и ремонтных баз, сложностью доставки и монтажа крупнотоннажных деталей и узлов при проведении ремонтных и аварийно-восстановительных работ.

Увеличение мощности, производительности и рабочих давлений нагнетательных установок приводило к существенному повышению металлоемкости и сложности компрессоров, трубопроводных коммуникаций и технологических аппаратов и, соответственно, к увеличению капиталовложений и эксплуатационных расходов при их промышленном внедрении.

В связи с существенными затратами, необходимыми для обеспечения эксплуатационной надежности современного и перспективного оборудования остро встал вопрос о поисках путей их снижения при реновации и строительстве новых объектов.

Одним из главных направлений в решении данной проблемы является научно обоснованное повышение качества проектирования за счет внедрения компьютерных технологий, реализованных на базе промышленных экспериментов, математического и физического моделирования и инженерных методов расчета технологических элементов, узлов и систем.

Проектирование высокопроизводительных компрессорных установок (КУ), цехов (КЦ) и станций (КС) является длительным и трудоемким процессом. Однако, его стоимость не сопоставима со стоимостью строительства и реконструкции объектов. На стадии проектирования закладываются основные технические решения по их структуре, составу и выбору характеристик элементов и узлов, определяющие уровень капитальных затрат. При этом ставится задача сокращения сроков и повышения качества проектирования за счет предложенных на базе научных исследований инженерных решений.

Одним из наиболее сложных направлений в работе проектных организаций является проектирование компрессорных станций и установок с поршневыми газоперекачивающими агрегатами (ПГПА), каждый из компрессорных цилиндров которых по физической сути своей работы является генератором периодических импульсов расхода газа в присоединенных линиях всасывания и нагнетания.

Значительное расширение диапазонов рабочих частот ПГПА нового поколения и многократное повышение мощности импульсов расхода их компрессорных цилиндров по сравнению с аналогичными характеристиками ранее устанавливаемых на промышленных объектах маломощных компрессоров с незначительными возможностями регулирования производительности существенно усложнило решаемые при проектировании задачи. Кроме того, параметры пульсирующего потока газа в коммуникациях КУ и КС зависят от конструктивных характеристик всех составляющих их элементов и используемых компрессоров, которые определяются при проектировании, а также от температуры, состава, давления и сжимаемости газа, производительности работающих компрессоров, их количества, степени повышения давления в ступенях, которые в процессе эксплуатации могут изменяться в широких пределах. Повышение неравномерности давления при сближении частот собственных и вынужденных колебаний газа на каких-либо эксплуатационных режимах приводит к увеличению затрат мощности на компримирование, снижению произ-

водительности компрессоров, неравномерной работе клапанов и выходу их из строя, а также к усилению вибраций технологического оборудования, что наиболее существенно проявляется в условиях резонанса и способствует снижению надежности, эффективности и безопасности работы КС, вызывая необходимость их остановки и реконструкции, сопряженной со значительными экономическими потерями.

В результате, при внедрении в начале 70-х годов поршневых компрессоров мощностью свыше 1000 КВт, каждую из компрессорных станций и установок приходилось останавливать и реконструировать на стадии ввода в эксплуатацию из-за недопустимых вибраций оборудования и разрушения отдельных узлов. Попытки решения задач стабилизации потока в процессе проектирования известными в то время методами приводили к существенному увеличению его сроков и в подавляющем большинстве случаев не исключали возможность возникновения повышенных вибраций при пуске КУ и КС в эксплуатацию.

Это было связано с отсутствием достоверных математических моделей и методов расчета подобных широкодиапазонных систем с большим количеством источников возбуждения колебаний, высококачественной регистрирующей и анализирующей аппаратуры для измерения пульсирующих потоков газа и механических вибраций в многоэлементных системах, а также с невысоким уровнем развития вычислительной техники и методов программирования.

Используемые в нашей стране и за рубежом аналитические методы расчета и электроаналоговые модели не давали требуемой достоверности характеристик пульсирующего потока газа без проведения большого объема экспериментальных исследований на физических моделях и уже введенных в эксплуатацию объектах.

Их определение даже для достаточно простых компрессорных установок, работающих на характерных для нефтехимических производств стабильных технологических режимах, когда температура, давление, состав газа, производительность и обороты электроприводных компрессоров в процессе эксплуатации остаются неизменными, являлось сложной задачей, требующей уточнения характеристик потока в условиях эксплуатации.

Для моделирования же каждого из режимов работы КС с ПГПА по давлениям и температурам всасывания и нагнетания требовалась длительная перенастройка и регулировка всех элементов модели. Результаты, полученные при стендовых испытаниях отдельных коммуникаций на физических моделях, не могли быть с достаточной достоверностью перенесены на реальные системы из-за различия физических сред, давлений и

температур на них и реальных объектах. Взрыво- и пожароопасность природных газов, а также требования к безопасности исследований заставляли использовать в физических моделях воздух при невысоких давлениях и температурах.

В связи с недостаточным качеством измерительного и анализирующего оборудования, отсутствием компьютерных методов обработки динамических сигналов и ограниченными возможностями изменения технологических режимов КУ в процессе текущей эксплуатации полученные при промышленных экспериментах результаты могли быть использованы только при реконструкции конкретных КС.

Поэтому на стадии проектирования не удавалось достичь приемлемых показателей надежности работы компрессорного оборудования. В результате в нормах на проектирование предусматривались повышенное резервирование машин, дополнительные средства на доводку и реконструкцию КС в процессе эксплуатации, проведение дополнительных строительно-монтажных работ и изготовление нестандартного оборудования с индивидуальными характеристиками.

Значительное увеличение капитальных затрат и эксплуатационных расходов за счет недопустимых вибраций оборудования КС превратилось в проблему, сдерживающую эффективность развития ряда отраслей народного хозяйства.

Таким образом, перспективы развития нефтегазового комплекса потребовали создания инженерных методов расчета характеристик пульсирующего потока газа в сложно-разветвленных многокомпонентных газовых коммуникациях с учетом всего многообразия реальных факторов, определяющих их работу, разработки на их базе технических решений по стабилизации потока, а также внедрения разработанных методов и средств на стадии проектирования промышленных объектов.

Для решения этих задач было необходимо детально проанализировать режимы эксплуатации рассматриваемого класса объектов, изучить причины и условия возникновения повышенных пульсаций потока и вибраций оборудования, особенности их взаимодействия и закономерности распространения в системах различной конфигурации, и на этой базе разработать эффективные средства для стабилизации потока и виброзащиты проектируемого оборудования. Необходимо было также решить комплекс задач, связанных с динамическим взаимодействием потока в компрессорных цилиндрах и коммуникациях. Т.е. разработать математические модели, охватывающие компрессорную установку или станцию от входа до выхода и соответствующие методы расчета данных параметров пульсирующего потока газа. Это ста