автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Газоперекачивающие агрегаты с авиаприводом и способы повышения их эффективности

Введение

Глава I. Состояние вопроса. II

1.1. Краткая характеристика отечественных и зарубежных ГПА с газотурбинным приводом.II

1.2. Основные тенденции и проблемы развития ГПА с газотурбинным приводом

Глава 2. Основные принципы создания ГПА с авиаприводом

2.1. Применение блочно-контейнерного принципа при создании ГПА-Ц-6,3 .-.

2.2. Выбор и обоснование рациональной схемы нагнетателя.

2.3. Совершенствование конструкции ГПА-Ц-6,

Глава 3. Пути повышения экономичности газоперекачивающих агрегатов с авиаприводом.

3.1. Особенности совершенствования ГПА с авиаприводом.

3.2. Анализ влияния потерь в гидравлическом тракте выхлопной и всасывающей систем на эффективность ГПА

3.3. Исследование влияния к.п.д. нагнетателя на эффективность транспорта газа

3.4. Исследование влияния к.п.д. двигателя на эффективность транспорта газа

3.5. Повышение эффективности ГПА с авиаприводом путем утилизации тепла выхлопных газов

Глава 4. Экспериментальные исследования выхлопной системы ГПА с авиаприводом с целью её совершенствования.

4.1. Методика экспериментальных исследований выхлопной системы

4.2. Экспериментальные исследования моделей выхлопной системы.

4.3. Оценка погрешности измерений

Глава 5. Перспективы применения ГПА с авиаприводом

Решениями ХХУ1 съезда КПСС принята программа форсированного развития газовой промышленности и намечено в 1985 году довести объем добычи газа до 640 млрд.куб.метров.

Особенность развития газовой промышленности состоит в том, что основные промышленные месторождения газа размещены в северных районах Западной Сибири, в труднодоступных,необжитых, болотистых местах. Весь прирост добычи газа в XI пятилетке обеспечивается за счет месторождений этого региона. Это повлекло за собой увеличение протяженности магистральных трубопроводов, увеличение количества компрессорных станций и, что очень важно, необходимость сооружения их в удаленных районах в условиях сурового климата в сжатые сроки и при наименьших капитальных вложениях.

В настоящее время на магистральных газопроводах нашей страны используются газоперекачивающие агрегаты трех типов: газотурбинные, электроприводные и поршневые (газомотокомпрессоры).

Наиболее широкое применение нашли ГПА с газотурбинным приводом, доля которых в общем парке машин растет из года в год и составила к концу десятой пятилетки 83 %. Они включают агрегаты с приводом стационарного типа и агрегаты с приводом авиационного типа.

Электроприводные ГПА отличаются высокой экономичностью, надежностью, требуют меньших капитальных затрат и хорошо поддаются автоматизации. Однако они используются в основном в районах с развитыми энергетическими системами, имеющими свободные резервы мощности. Их применение ограничивается также отсутствием в настоящее время электродвигателей большой единичной мощности, не обходимых для газопроводов большого диаметра (1220,1420 мм), а также трудностью регулирования частоты вращения. Как показывает технико-экономический анализ, электроприводные ГПА конкурентоспособны по сравнению с газотурбинными при удалении КС от энергосистемы не более, чем на 250.300 км [I] .

Поршневые ГПА. обладают более высоким к.п.д.,чем газотурбинные, и способны работать в широких пределах изменения давления перекачиваемого газа. Однако такие недостатки, как громоздкость, большая масса, отсутствие блочности и высокие капитальные и эксплуатационные затраты, а также сравнительно невысокая единичная мощность этих агрегатов ограничивают их использование для транспортирования газа по крупным магистральным газопроводам, оставляя для них область газопроводов малой и средней производительности, а также станций подземного хранения газа с обеспечением режима закачки при высоких рабочих давлениях.

По сравнению с электроприводными и поршневыми ГПА, агрегаты с газотурбинным приводом в наибольшей степени отвечают современным тенденциям в развитии газотранспортной системы страны:

- укрупнению единичных мощностей;

- повышению уровня автоматизации и автономности в работе ;

- повышению надежности и ремонтопригодности.

В настоящее время в общем парке ГПА 70 % составляют агрегаты с газотурбинным приводом стационарного типа и 13 % блочно-контей-нерные агрегаты с приводом авиационного типа. Характерными чертами ГПА стационарного типа являются большая металлоемкость и значительные габариты, установка мощных фундаментов, необходимость размещения в капитальных компрессорных цехах с применением мостовых кранов большой грузоподъемности.Строительство компрессорных станций с применением агрегатов стационарного типа занимает 16.19 месяцев, что уже не соответствует опережающим темпам развития новой сети магистральных газопроводов.Перемещение же сырьевой базы в труднодоступные районы Севера и Западной Сибири, как указывалось выше, поставило вопрос о создании принципиально нового типа газоперекачивающего оборудования и разработке новых методов строительства компрессорных станций. В связи с этим перед отечественным машиностроением стояла проблема создания газоперекачивающего агрегата нового типа, обладающего наряду с экономичностью и надежностью такими качествами, как минимальный вес, компактность,транспортабельность в условиях бездорожья,максимальная заводская готовность.Решить эту задачу требовалось в кратчайшие сроки [2] .Тщательный Анализ газотурбинной техники, проведенный с участием автора, показал, что для решения этой задачи наиболее подходит газотурбинный двигатель авиационного типа.

Тенеденции развития газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом, в том числе и авиационного типа, за последние 30 лет отчетливо прослеживаются на опыте их эксплуатации газотранспортными компаниями США и Канады, где ГПА с приводом авиационного типа нашли свое применение на компрессорных станциях, начивая с 1960 года. Первые ГПА с авиаприводом применялись в качестве пиковых агрегатов,в то время как для непрерывной работы использовались более экономичные в то время газотурбинные установки стационарного типа. Однако по мере повышения к.п.д. и ресурса всё большее число газотранспортных компаний стало использовать ГПА с авиаприводом в режиме непрерывной работы. За период с 1963 по 1975 г.г. рост установленной мощности этих агрегатов в США составил более I млн.кВт, а доля их во всем парке ГПА с газотурбинным: приводом увеличилась с 5,5 до 42,6 %.

Такие быстрые темпы внедрения ГПА с авиационным приводом объясняются их большим преимуществом по сравнению с агрегатами стационарного типа.

Необходимо отметить, что первоначально для привода нагнетателей газа использовались серийные авиационные двигатели, переведенные на газовое топливо.По мере накопления опыта наземной эксплуатации фирмы были вынуждены перейти к разработке новых двигателей, существенно переконструированных именно для нужд газовой промышленности с учетом специфики их эксплуатации в газоперекачивающих агрегатах (повышенный ресурс, простота и удобство эксплуатации и ремонта и т.д.). Это привело к тому, что в настоящее время за рубежом поставляются для газотранспортных систем только новые двигатели, которые рассматриваются как двигатели второго поколения. В связи с этим производство промышленного авиапривода выделилось в самостоятельную подотрасль авиационного двигателеетроения [з] .

В отечественной практике не было опыта создания таких агрегатов. Поэтому необходимо было решить сложную комплексную проблему, состоящую из ряда научно-технических задач, направленных на получение наилучшего сочетания перечисленных качеств ГПА.

Проведенный анализ показал, что рассматриваемая комплексная проблема может быть решена на основе принципа блочно-контей-нерного исполнения газоперекачивающего агрегата, а в качестве привода экономически наиболее целесообразно применять авиационный газотурбинный двигатель, отработавший свой ресурс в авиации.

Первый отечественный ГПА с приводом авиационного типа

ГПА-Ц-6,3, созданный на основе блочно-контейнерного принципа, по сравнению со стационарными агрегатами обладает следующими преимуществами:

- меньшие габариты и удельная металлоемкость при одинаковой мощности ;

- высокая транспортабельность, благодаря полной заводской готовности отдельных блоков ;

- сокращение в 2.3 раза сроков ввода в эксплуатацию компрессорных станций, так как при контейнерном исполнении отпадает необходимость в строительстве промышленных зданий с подъемными кранами ;

- возможность поагрегатного ремонта двигателей и нагнетателей в заводских условиях, что сокращает сроки ремонта и повышает его качество.

Создание газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-6,3 осуществлялось в соответствии с постановлением Госкомитета СССР по науке и технике от 25 декабря 1970 г. № 490 (проблема 013325).

Применение газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-6,3 на магистральных газопроводах оказалось настолько эффективным, что на основании опыта его создания в кратчайшие сроки был разработан и изготовлен более совершенный агрегат ГПА-Ц-16 с авиаприводом мощностью 16 тыс. кВт,устанавливаемый в настоящее время на газопроводе Уренго{Шомары-Ужгород [4] .

В настоящей диссертации обобщен опыт, накопленный автором при разработке, создании и исследовании ГПА с авиаприводом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснован блочно-контейнерный принцип создания ГПА с авиаприводом и определены рациональные конструктивные схемы нагнетателя для агрегатов этого типа.

2. Исследованы пути повышения эффективности газоперекачивающих агрегатов с авиаприводом, что позволило:

- определить влияние к.п.д. нагнетателя на эффективность транспорта газа;

- оценить влияние потерь давления в выхлопной и всасывающей системах на к.п.д. агрегата ;

- показать эффективность утилизации тепла выхлопных газов ГПА различными способами.

3. Предложенные коэффициентыи ^Д? позволили установить непосредственную связь к.п.д. двигателя с гидравлическими потерями в выхлопной и всасывающей системах ГПА.

Расчеты по предложенной методике показали, что уменьшение потерь давления в выхлопной системе на 3000 Па увеличивает к.п.д. на I %.

4. С целью повышения эффективности ГПА-Ц-6,3 проведены экспериментальные исследования моделей выхлопной системы, на основании анализа которых:

- предложена и разработана более совершенная выхлопная система, позволившая повысить эффективный к.п.д. агрегата на 0,8 %;

- повышена надежность агрегата за счет устранения вибрации выхлопной системы;

- определены газодинамическая и конструктивная схемы разрабатываемых ГПА с авиаприводом.

5. Использование полученных результатов экспериментальных исследований в доводочных работах по ГПА-Ц-6,3 позволило совместно с другими мероприятиями увеличить эффективный к.п.д. двигателя с 22,5 до 24 что дало значительный экономический эффект.

6. Обобщение опыта создания и доводки газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-6,3, проведенное в диссертации, позволило дать ряд рекомендаций по созданию ГПА с авиаприводом. Эти рекомендации были использованы при создании газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16.

1. Васильев Ю.Г.,3арицкий С.П. Перспективы развития газоперекачивающих агрегатов в десятой пятилетке. - Экспресс-информация / ВНИИЭгазпром. Сер. Транспорт, хранение и использование газа в народном хозяйстве. М., 1972, с.16-19.

2. Соколов С.Г. Совершенствование и перспективы применения агрегатов типа ГПА-Ц-6,3. Газовая промышленность, 1979, № 12, с. 4-5.

3. Кузнецов Н.Д.,Дондуков H.A. Достижения авиамоторостроения -в газовую промышленность. Газовая промышленность, 1978,8, с. 8-10.

4. Кузнецов Н.Д. Газотурбинный привод HK-I6CT для компрессорных станций магистральных газопроводов. Теплоэнергетика, 1984, № I, с. 12-15.

5. Резниченко В.А.,Комлык Ю.Ф. Состояние и перспективы развития ГПА с авиационным приводом. Газовая промышленность, 1978, № 8, с. 17-19.

6. Боткилин Л.И. Использование газотурбинных установок авиационного типа для привода газоперекачивающих агрегатов (зарубежный опыт). Обзорная информация / ВНИИЭгазпром. Сер. Транспорт и хранение газа. М., 1972, с. 16-19.

7. Ермошкин А.Г. Зарубежные газоперекачивающие агрегаты. -М.: Недра, 1979, 146 с.

8. Анализ развития газоперекачивающих агрегатов с авиаприводом и прогноз по перспективам развития конструкции этого типа агрегатов: Отчет / СКБ ТХМ; Руководитель М.Г.Дубинский.шифр работы 0561-77-23 ; № ГР 77079045 ; Инв.№ Б562812. -М., 1977 г. 48 с.

9. Сидоренко М.В. Газоперекачивающие агрегаты с авиационнымприводом в газовой промышленности. Газовая промышленность, 1978, № 8, с.6-12.

10. Соколов С.Г. Влияние всасывающей и выхлопной системы двигателя газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-6,3 на его эффективность. Химическое и нефтяное машиностроение, 1981, № 2,с. 11-12.

11. Доброхотов В.Д. Эрозия проточной части центробежных нагнетателей твердыми частицами. Газовая промышленность, 1970, № II, с. 18-20.

12. Щуровский В.А. 0 характере эрозийного износа проточной части центробежных нагнетателей природного газа. Реф.инф. / ВНИИЭгазпром. Сер. Транспорт и хранение газа. М.,1978, № 3, с. 17-19.

13. Вертепов А.Г.»Васильев Ю.Н. Повышение эффективности использования тепла уходящих газов газотурбинных установок компрессорных станций магистральных газопроводов. Обз.инф./ВНИИЭ-газпром. Сер. Транспорт и хранение газа. М. ,1980, вып. 2,47 с.

14. Ванюшин Ю.Н.,Глушков В.И. Утилизация тепла на компрессорных станциях магистральных газопроводов. И.-.Недра, 1978 , 84 с.

15. Шелковский Б.Н.,Юращик И.Л. Использование тепла выхлопных газов приводных газотурбинных установок. Промышленная энергетика, 1979, № 9, с. 24-27.

16. Довжик С.А. Исследования по аэродинамике осевого дозвукового компрессора. Труды/ЦАГИ им. проф.Н.Е.Жуковского. М., 1968, вып. 1099,с. 189-208.

17. Довжик С.А.,Морозов А.И. Исследование кольцевых диффузоров осевых турбомашин. Промышленная аэродинамика. М.; Оборон-гиз, 1961, вып. 20, с. 152-170. ,

18. Довжик С.А., Глушевский A.C. Экспериментальные исследования напорных патрубков стационарных осевых турбомашин. Труды / ЦАГИ им. проф. Н.Е.Жуковского. М.,1955, вып. 130, 52 с.

19. Дубинский М.Г. Некоторые проблемы создания ГПА с приводом авиационного типа. Газовая промышленность, 1978, № 8, с. 20-22.

20. Щуровский В.А.,3арицкий С.П. Перспективы развития газотурбинных агрегатов. Экспресс-инф./ВНИИЭгазпром. Сер.Транспорт и хранение газа. М., 1977, № II, с. 3-5.

21. Трофимов Н.Г.,Заров Г.З. Создание и доводка двигателя HK-I2CT для привода нагнетателя ГПА-Ц-6,3. Газовая промышленность, 1978, № 8, с. 22-27.

22. Цибульский В.И. Совершенствование технологии производства двигателей HK-I2CT для ГПА-Ц-6,3. Газовая промышленность, 1978, № 8, с. 26-33.

23. Барков М.Н.,Полукаров A.B. Обеспечение надежной эксплуатации двигателей HK-I2CT. Газовая промышленность, 1978, № 8, с. 30-32.

24. Стечкин B.C.,Казанджан П.К. Теория реактивных двигателей. Лопаточные машины. М.:0боронгиз, 1956, 248 с.

25. Иноземцев Н.В. Авиационные газотурбинные двигатели. Теория и рабочий процесс. М.:0боронгиз, 1955, 210 с.

26. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976, 456 с.

27. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1974, 210 с.

28. Соколов С.Г.,Комлык Ю.Ф. Совершенствование и перспективы применения агрегатов типа ГПА-Ц-6,3. Газовая промышленность, 1979, с. 7-8.

29. Ушаков С.С.,Борисенко Т.М. Экономика транспорта топлива и энергии. М.: Энергия, 1980, с. 11-17.

30. С^вирский И.Н. Турбовентиляторные авиационные двигатели в энергетических установках. Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. - ВИМИ, М.,1975, вып. I,с. II0-II8.

31. Кузнецов Н.Д.,Орлов В.И. Высокоэффективный привод для ГПА.-Газовая промышленность, 1983, № II, с. 17-18.

32. Щуровский В.А. Перспективы развития газотурбинного привода в газовой промышленности. Теплоэнергетика, 1984, № I,с. 3-7.

33. Бам-Зеликович Г.М. Расчет отрыва пограничного слоя. Известия АН СССР. ОТН, 1954, № 12, с. 17-26.

34. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960, 380 с.

35. Ведерников А.Н. Экспериментальные исследования движения воздуха в плоском расширяющемся канале. Труды / ЦАГИ им. проф. Н.Е.Жуковского. М.,1926,вып. 21, с. 17-19.

36. Индустриализация строительства объектов нефтяной и газовой промышленности на основе новых технических решений. Труды / ВНИИСТ. М. ,1982, с. 42-45.

37. Газовые турбины, использующие в качестве газогенератора реактивные авиационные двигатели, и применение этих турбин в качестве привода компрессора. Неделя фирмы Дрессер. Вып.17, М., 1978, 56 с.

38. Газовые турбины и турбокомпрессоры. Каталог фирмы Ингер-солл-Ренд, 38 с.

39. Центробежные компрессоры с газотурбинным приводом длястанций магистрального газопровода. Предложение фирмы Нуово Пиньоне/Дженерал Электрик, № 3/61/ТС/59, 26 с.

40. Турбины МС-9001 и МС-5002 газовые большой мощности. Каталог фирмы Дженерал Электрик, 48 с.

41. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.-М.; Энергия, 1978, 218 с.