автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Методология разработки технических решений по созданию турбодетандерных агрегатов для подготовки и энергосбережения природного газа

На правах рукописи

МАЛЬХАНОВ ВИКТОР ПАЛАДЬЕВИЧ

МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

ПРИРОДНОГО ГАЗА

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтяной и газовой промышленности), (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Российском Государственном Университете нефти и газа им. U.M. Губкина

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Ивановский В.Н.

Официальные компоненты:

- доктор технических наук, профессор Максутов P.A.

- доктор технических наук, профессор Гусейнов Ч.С.

- доктор технических наук Агабабов B.C.

Ведущая организация ООО «ВолгоУралНИПИгаз»

Защита состоится О Л. 2005 г. в /^часов в аудитории

612 на заседании диссертационного совета Д.212.200.07 в Российском Государственном Университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, д. 65.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственною Университета нефти и газа им. И.М. Губкина.

Автореферат разослан «_»_200_г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, |

старший научный сотрудник • !>

Э.С. Гинзбург

шп-ч "ЩШ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для современной газовой промышленности характерно широкое применение передовой машиностроительной продукции - высокоэффективной газотурбинной техники. Наибольшие масштабы ее применения относятся к газотранспортным магистралям природного газа, по которым транспортирование газа, в основном, осуществляется газоперекачивающими агрегатами (ГПА) с газотурбинным приводом. Мощность таких агрегатов, например в России, составляет более 85% общей мощности ГПА, находящихся в эксплуатации.

Настоящая диссертация посвящена одному из направлений развития газотурбинной техники в газовой промышленности - турбодетандерам, предназначенным для рационального использования энергии избыточного перепада давления природного газа.

Как известно, процессы расширения газа в турбинных решетках протекают с относительно небольшими энергетическими потерями. Это позволяет с помощью турбодетандера получить максимальное количество холода и максимальную величину механической работы с единицы массы его конструкции, и, таким образом, эффективно решать проблему необходимой подготовки газа.

В подавляющем большинстве установок подготовки газа турбодетандер передает свою мощность дожимающему компрессору; такое конструктивное сочетание обычно называют турбодетандерным агрегатом

Практика использования ТДА на различных месторождениях показала, что турбохолодильные установки на его основе отличаются простотой, надежностью и низкой металлоемкостью конструкции, обусловливают минимальное количество обслуживающего персонала, высокую автономность и широкий диапазон регулирования, а также - отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

(ТДА).

Успешное развитие промысловых ТДА явилось обосновывающей технической предпосылкой в разработке турбоагрегатов, предназначенных для энергосберегающих технологий в газораспределительной системе.

Как известно, природный газ транспортируется по магистральным газопроводам с давлением 4,0 + 7,5 МПа. От магистральных газопроводов по газоотводам он поступает на газораспределительные станции (ГРС), в дроссельных устройствах которых происходит понижение его давления до 1,2; 0,6; 0,3 МПа, - в зависимости от потребителя. Затем, в дроссельных устройствах газораспределительных пунктов (ГРП) потребителей его давление снижается до 0,1 * 0,2 МПа.

При этом энергия избыточного перепада давления газа расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений в дроссельных устройствах и безвозвратно теряется.

Использование на ГРС специально разработанных турбодегандерных агрегатов позволит преобразовать энергию перепада давления газа в полезную мощность, частично восстанавливающую мощностные затраты ГПА, произведенные на транспорт газа. Расчеты показывают, что применение ТДА на ГРС и ГРП позволит получить около 1,6* 10ш кВт*ч электроэнергии в год.

Данная работа предлагается как научно-методологическое исследование по техническим решениям, на основе турбодетандерных агрегатов, проблемы рационального использования энергии избыточного перепада давления природного газа, редуцируемого в дроссельных устройствах ГРС газораспределительной системы.

Цель и задачи диссертационной работы - построение и развитие научно-обоснованной методологии разработки технических решений по созданию высокоэффективных турбодетандерных установок с заданными технико-экономическими параметрами для подготовки и энергосбережения природного газа.

Для достижения этой цели необходимо:

1. Определить газодинамические характеристики ГРС и классифицировать их по располагаемой ими потенциальной мощности.

2. Определить основное направление в разработке турбодетандерной технологии рационального использования энергии избыточного перепада давления природного газа в газораспределительной системе.

3. Создать научно-обоснованную методику термогазодинамических расчетов турбодетандериых агрегатов.

4. Построить математическую модель работы турбодетандериых агрегатов в условиях ГРС и проверить ее на практике.

5. На основании построенной математической модели разработать систему автоматического регулирования ТДА, обеспечивающую надежность и эффективность функционирования турбодетандериых установок в условиях ГРС.

6. Разработать технические решения, сконструировать, изготовить, провести заводские, стендовые и промышленные испытания ТДА различного назначения для оценки адекватности построенных математических моделей и проектных характеристик турбодетандериых агрегатов.

7. Разработать новую технологию подготовки газа в турбодетандериых установках.

8. Оптимизировать технико-экономические показатели турбодетандериых установок в зависимости от условий их использования на ГРС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

I. Определены газодинамические характеристики около 300 наиболее крупных ГРС РАО «Газпром» и около 280 ГРП КС, обеспечивающих в заданных диапазонах располагаемую ими потенциальную мощность.

2. С целью рационального использования энергии избыточного перепада давления природного газа определены основные характеристики турбодетандерных агрегатов для производства электроэнергии, состав основного оборудования турбодетандерных установок и их технологические схемы функционирования совместно с технологическим оборудованием ГРС.

3. На основе классических уравнений газодинамики одномерного и пространственного осесимметричного течения реального газа построены математические модели, разработаны алгоритмы и программы расчетов, позволяющие определять геометрические параметры и характеристики турбодетандеров, соответствующих характеристикам мощностного ряда ГРС.

4. Получены аналитические выражения газодинамических функций реального газа; определены численные значения и построено их графическое изображение для широкого спектра значений параметров потоков метана.

5. Построена математическая модель, алгоритм и программа расчетов динамических характеристик систем автоматического регулирования частоты вращения роторов турбоагрегатов утилизационных установок, функционирующих в условиях ГРС.

6. На основании построенных математических моделей разработаны принципиальные технические решения по созданию утилизационных турбодетандерных установок, предназначенных для преобразования энергии избыточного перепада давления газа на ГРС в электроэнергию.

7. Разработан унифицированный типоразмерный ряд энергосберегающих турбодетандерных агрегатов - ЭТДА мощностью 1,5; 2,5; 4,0 и 6,0 МВт, предназначенных для выработки электроэнергии на ГРС (входное давление газа 4,0 МПа) и ГРГ1 (входное давление газа 0,9 МПа).

8. Предложен новый способ подготовки газа на входе в турбодетандер, основанный на использовании плазмохимического реактора, работающего в режиме непрерывного стримерного разряда и разработаны технические решения реактора.

Практическая ценность н реализация работы:

1. Построенные математические модели позволили определить геометрические параметры, характеристики и разработать конструкции утилизационных турбодетандерных установок: УТДУ-2500 (мощностью 2500 кВт), унифицированного типоразмерного ряда агрегатов ЭТДА мощностью 1,5; 2,5; 4,0 и 6,0 МВт, предназначенных для работы на ГРС, и УКС2-300 (мощностью 300 кВт), предназначенной для работы на ГРП КС. Созданные опытно-промышленные образцы установок УТДУ-2500 и УКС2-300 прошли испытания и сданы в промышленную эксплуатацию.

2. В соответствии с разработанными решениями унифицированного типоразмерного ряда энергосберегающих турбодетандерных агрегатов ЭТДА мощностью 1,5; 2,5; 4,0 и 6,0 МВт изготовлен головной образец агрегата ЭТДА-1500 и в настоящее время находится в стадии монтажа на объекте эксплуатации.

3. Оптимизированы основные технико-экономические показатели утилизационных турбодетандерных установок в зависимости от условий их использования на ГРС и вырабатываемой ими мощности.

4. Материалы исследований используются в учебном процессе для обучения студентов по специальности 130602 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались на Российских и международных конференциях и семинарах:

- Республиканский семинар «Современное состояние и перспективы развития газотурбинных и парогазовых установок» (г. Киев, май 1991г.)

- Отраслевое совещание ГГК «Газпром» «Передовой опыт обслуживания ГРС. Основные направления создания нового поколения ГРС» (г. Волгоград, март 1992г.)

- Конференция ОАО «Газпром» «Новая техника и технологии в энергетике ОАО «Газпром» (г. Москва, октябрь 1998г.)

- VII Межгосударственный семинар «Плазменная электроника и новые методы ускорения» (г. Харьков, июль 2000г.)

- XXVIII «Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС» (г. Звенигород, Московской обл., февраль 2001г.)

- III Всероссийская научно-практическая конференция «Новое энергосберегающее оборудование» (г. Лысьва, Пермской обл., октябрь 2002г.)

- X Международная конференция по низкотемпературной плазме, PLT - 03 (г. Киев, май 2003г.)

- 15 Международная конференция по плазмохимии (Италия, г. Таорлина, июль 2003г.)

По теме диссертационной работы опубликовано 30 научных работ, в том числе одна монография. Технические решения по турбодетандерным агрегатам защищены тремя авторскими свидетельствами и двумя Патентами РФ.

Структура и объем диссертационной работы:

Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографии из 74 наименований и Приложений.

Содержание работы изложено на 246 страницах, иллюстрировано 57 рисунками и 20 таблицами.

В приложениях представлены акты проведенных испытаний и изготовления турбоустановок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены характеристики и конструктивные особенности турбодетандерных агрегатов (ТДА), предназначенных для работы в системах подготовки и энергосбережения природного газа.

В системах подготовки газа ТДА используются в качестве источников холода в установках охлаждения газа северных месторождений и в установках низкотемпературной сепарации с охлаждением газа.

Впервые турбодетандерный агрегат был разработан и изготовлен для получения сжиженного воздуха академиком П.Л. Капицей в 1939г.

Создание этого агрегата послужило началом разработки и развития турбодетаидерной технологии получения сжиженного воздуха и продуктов его разделения - азота, кислорода и т.д.

В 1948г. профессор М.Д Миллионщиков предложил применять турбодетандерные агрегаты для рационального использования избыточного перепада давления природного газа при его добыче и транспортировке.

Первый опытно-промышленный агрегат Т-3 был разработан в 1965г. коллективом лаборатории УКРНИИгаза (г. Харьков) под руководством A.B. Язика. Этот агрегат в 1971г. был сдан в опытно-промышленную эксплуатацию на Шебелинском газоконденсатном месторождении.

ТДА Т-3 рассчитан на входное давление 6,4 МПа, расход -2,5хЮ6 н.м3/сут и на температурный перепад 10°.

Основными конструктивными элементами агрегата являются осевой одноступенчатый турбодетандер и центробежный компрессор.

Положительные результаты промышленных испытаний Т-3, устойчивое получение отрицательных температур сепарации газа, обеспечили его тиражирование и начало развития турбодетаидерной технологии подготовки газа.

Вслед за Т-3 был разработан турбоагрегат ТКО-25/64 с параметрами, близкими Т-3.

Увеличение добычи газа в стране, повышенные расходы и пластовые давления газа привели к необходимости создания агрегата БТДА-5-100 с расходом газа 5><106 н.м3/сут и давлением на входе 10,0 МПа. Агрегат был создан в двух модификациях:

■ БТДА-5-100-1-ХЛ1 - для использования в системах низкотемпературной сепарации газа и

■ БТДА-5-lOO-XJIl - для систем охлаждения транспортирования

газа.

Принципиальные конструктивные решения БТДА-5-100 выполнены аналогичными Т-3.

Естественным продолжением турбодетандерного развития стало создание объединением «Союзтурбогаз» блочного турбодетандерного агрегата БТДА-10-13УХЛ4 для подготовки газа сеноманской залежи Ямбургского месторождения газа.

Агрегат рассчитан на расход 10x106 н.м3/сут и давление на входе 13,0 МПа. Температура на выходе из турбодетандера - минус 30 °С.

БТДА-10-13 выполнен в виде моноблока, включающего смонтированные на одной раме ТДА и его системы.

Решения БТДА-10-13 разработаны на основе Т-3 и БТДА-5-100: турбодетандер осевого типа, компрессор центробежный. Рогор установлен на подшипниках скольжения. Агрегат БТДА-10-13УХЛ4 получил широкое распространение - более 60 этих агрегатов было поставлено на семь станций охлаждения газа Ямбургского месторождения.

Из работ, посвященных рациональному использованию энер! ии избыточного перепада давления газа на ГРС, выполненных до начала данной диссертационной работы, следует отметить экспериментальные работы A.B. Александрова (1948г.) и А.П. Клименко (1961г.). Обе экспериментальные установки были ориентированы на выработку электроэнергии. Остальные работы - Зарницкого Г.Э. и др. - в основном теоретического плана. К сожалению, по публикациям этих работ получить полное представление о масштабности проблемы и о научно-технических методах ее решения не представляется возможным.

Технические же решения промысловых турбодетандерных агрегатов, успешное развитие турбодетандерной технологии подготовки газа создали обоснованные технические предпосылки для разработки турбодетандерных агрегатов для энергосберегающих технологий газораспределительной системы.

В результате проведенного анализа были определены основные задачи диссертационной работы:

■ Провести статистические исследования газодинамических характеристик ГРС для оценки их потенциальной мощности и определить основное, наиболее реализуемое в условиях ГРС, направление развития турбодетандерных установок.

■ Разработать математические модели, алгоритмы и программы расчетов турбодетандеров и систем автоматического регулирования, обеспечивающих устойчивую работу установок в условиях ГРС.

• Разработать технические решения, конструкции, изготовить и испытать опытно-промышленные образцы турбодетандерных установок различного назначения для оценки адекватности разработанных математических моделей, проектных характеристик и технических решений агрегатов.

■ Разработать новую технологию подготовки природного газа в турбодетандерной установке.

■ Оптимизировать технико-экономические показатели турбодетандерных установок в зависимости от условий их использования на ГРС.

Полученные в процессе выполнения работы результаты исследования характеристик ГРС показывают, что суммарная располагаемая мощность наиболее крупных ГРС ОАО «Газпром» и ГРП промышленных предприятий составляет около 2 ООО МВт.

В таблице 1 представлены данные располагаемой мощности 240 типовых ГРС.

Таблица 1

Классификация ГРС по располагаемой мощности

Диапазон располагаемых мощностей Количество ГРС в данном диапазоне В % к общему количеству Суммарная располагаемая мощность ГРС данного диапазона

и, N2 Чр N3 и, Ы2 мср N3 N. N2 N3

кВт шт % МВт

300<Ы< 600 31 35 27 51 14,0 15,6 12,2 28,2 13,9 15,3 12,8 21,4

600<Ы< 1000 46 28 44 35 20,8 12,5 19,9 19,8 35,3 22,5 34,0 28,7

1000<Ы <2000 73 78 79 58 33,0 34,8 35,7 32,8 97,8 113,7 112,6 78,8

2000<Ы <4000 62 69 63 31 28,1 30,8 23,5 17,5 181,1 195,3 188,2 92,3

4000<Ы <6000 9 14 8 2 4,1 6,3 3,6 1,1 60,2 87,8 48,7 12,2

Итого 221 224 221 177 100 100 100 100 388,3 434,7 396,4 233,4

Где УУ/ = Л^/(Ст/м,Ят(«) ; № = №\ртих,Лт1п) ; N3= №{Ст1п,Лт1п] ■

Как следует из таблицы 1, единичная располагаемая мощность ГРС находится в диапазоне от 300 до 6 000 кВт. Такой широкий диапазон мощности может быть реализован при создании только целого типоразмерного ряда турбодетандерных установок.

По своему предназначению утилизационные турбодетандерные установки могут быть разной направленности: для производства электроэнергии; для производства электроэнергии и сжиженного природного газа; для производства электроэнергии и жидкого азота; для производства электроэнергии и холода (для холодильников) и т.д.

Основным же, наиболее реализуемым, их предназначением следует считать производство электроэнергии. Это направление обусловлено рядом факторов:

■ Электроэнергия востребована в любом регионе страны и легко передается как в общую энергосистему, так и в электросистемы автономных потребителей;

■ Установки для выработки электроэнергии относительно компактны, не требуют большого объема оборудования для технологического обеспечения, не требуют разработки и строительства специальной инфраструктуры;

■ В турбодетандерных агрегатах установок могут быть использованы серийно выпускаемые отечественной промышленностью электрогенераторы, что сократит сроки работ и объемы финансирования на разработку и изготовление оборудования установок.

Для определения типоразмерного ряда турбодетандерных агрегатов, предназначенных для выработки электроэнергии, необходимо было произвести ориентировочную классификацию ГРС по располагаемой ими мощности (кВт): 300<Ы<600; 600<Ы<1 ООО; 1 000<Ы<2 ООО; 2 000<Ы<4 ООО; 4 000<Ы<6 ООО.

Этому распределению ГРС по мощности соответствует, например, выпускаемый Лысьвенским ТГЗ типоразмерный ряд турбогенераторов типа ТК мощностью 500; 1 ООО; 1 500; 2 500; 4 000 и 6 000 кВт.

Определенные значения газодинамических характеристик ГРС, соответствие располагаемой ими мощности и установленной мощности генератора являются исходными данными для разработки типоразмерного ряда турбодетандерных агрегатов.

Во ц-горой главе решаются задачи построения математических моделей, алгоритмов и программ термогазодинамических расчетов турбодетандеров с заданными параметрами и их характеристиками.

1. Функциональные зависимости параметров состояния газа от коэффициента скорости X, называемые газодинамическими функциями, нашли широкое применение в расчетах процессов расширения идеального газа. Графическое представление и таблицы этих функций обеспечивают их

удобство при проведении расчетов. Отсутствие же таких функций для реальных газов, к которым относится природный газ, и, соответственно, их табличных значений и графического представления, не позволяло проводить аналогичные расчеты в задачах с использованием природного газа.

В процессе выполнения диссертационной работы автором были получены аналитические выражения газодинамических функций для реального газа, а также определены табличные значения и построено их графическое представление для метана.

Для их получения использовались следующие уравнения:

- уравнение состояния реального газа в общем виде:

р = р{р,т)............................................................................(1)

- уравнения изоэнтропического процесса:

pv1' = const.........................................................................(2)

рТ iH = const.......................................................................(3)

где ку и к-, - средние значения объемного и температурного показателей изоэнтропы:

, 1

или kv = —

\ р

т l^JJ

рр или кт =

дР>

Р'+-

L($l)2 дт)т

се{дТ

4 рр др)

т.

- уравнение для энтропии:

па»»;, '

,.(4) ..(5)

- уравнение Бернулли:

Представленная система уравнений (1) - (7) позволила получить в результате выполнения необходимого объема вычислительных операций сначала изоэнтропические формулы для реального газа:

г 2

••(8) ■•(9)

Л V

...................................................•<"»

где М ---число Маха,

а

<Р=

X СР _Л- СУ

др

1+-р- к

Ф

Р

•(И)

где

лг=~

ду

дТ

дР

дТ

др др

.(12)

где Ср, Су - теплоемкости газа,

То> Ро> Ро> ХО ~ 31|а,1ения параметров заторможенного потока.

С

При переходе в (8) - (10) от М к Л (Л =—) в соответствии с

а

установленной зависимостью:

2 1 Щ+

.(13)

с х'

где у/ = —; * - обозначает критические значения параметров л- с;

получаем газодинамические функции для реального газа:

.....................................<,4>

и А 1

в(Л).

<1(л)=л

При к'т=кт=к,,=к, С'р(,=ср=с'р=ср, су=с'у=су, х' =л = л0-1,

= —, <р' = <р = 1 и = 1 формулы (13) переходят в соответствующие

др [др)

г Р

формулы для идеального газа.

Полученные аналитические выражения (13) для газодинамических функций реального газа в сочетании с уравнениями состояния (1) и процесса (2) и (3) позволяют определять их численные значения в любом диапазоне параметров потоков природного газа и использовать их для построения характеристик турбодетандерных агрегатов.

В качестве примера в работе получены численные значения газодинамических функций для метана и представлено их графическое изображение.

2. Основу математической модели термогазодинамического расчета в случае одномерного течения газа составляет следующая система уравнений:

- уравнение сохранения энергии между сечениями "/" и "Л 1" проточной части турбодетандера

С

1 2 2

..(15) ..(16)

- уравнение момента количества движения h = C.ituM-C.u,........................................................

- уравнение неразрывности

pFc = Const........................................................................(17)

- уравнение состояния реального газа - уравнение Бенедикта-Вебба-Рубина:

р = RTp +

...............(18)

+ +Ьр)-{А0 +ар-аар<)~[сй-ср^урЧ^

-уравнения изоэнтропы расширения газа

pv'- = Const........................................................................(19)

Лх-

рТк'л = Const,....................................................................(20)

А о, Во, С0, а, Ь, с, а, у- постоянные коэффициенты уравнения состояния, Уравнения (15) - (20) при заданных исходных данных позволяют получить выражение или для адиабатического перепада, или для параметров газа в конечной точке действительного процесса в турбодетандере: а) адиабатический перепад

А. =•=-*— к -1

Z.RT.

1-

».-I

( \т~ ,Р>

•(21)

б) давление в конечной точке процесса

Р = Р

* 2 * I

1--=

3

г, ЯГ,

в) температура в конечной точке действительного процесса

р

Т — Т' ! лг — 12 ,

( \

т,

где

/

/

(24)

(25)

т;=г,

.(26)

Представленная система уравнений с использованием метода «треугольников скоростей» позволила построить алгоритм и программу расчетов турбодетандеров, а в сочетании с методикой ЦИАМ - расчет компрессоров ТДА.

В работе представлен пример газодинамического расчета турбодетандерного агрегата ТДА, выполненный по этим программам.

3. Поток газа, проходящий через лопаточный аппарат турбодетандера при определенных значениях отношения йср / I (£>с/> - средний радиус турбодетандера, / - высота лопаток) становится неодномерным. В этих случаях для определения оптимальной проточной части турбодетандера термогазодинамические расчеты необходимо проводить уже не по модели одномерного течения газа, а с учетом пространственного изменения параметров потока.

Для этой цели автором построена математическая модель и алгоритм ее решения, на основании которого составлена программа расчета параметров пространственного, осесимметричного (наиболее близкого к реальному) течению газа в турбодетаидерной ступени.

Основу математической модели составила записанная в

цилиндрических координатах следующая система уравнений:

^ + = + ...............................<27>

дг дг г * рог

Зр dv_ vw. „ ,

v' ^+v« т1-+—+1т'=Л..............................................<28)

дг дг г

, Svz f 1 Ф /")ОЧ

+ v« = /« — я »......................................................(29)

дг дг р дг

о.....................................................(30)

г Зг дг

/> = г/>Я7-............................................................................(31)

рр"' = const,.......................................................................(32)

где (27) - (29) уравнения движения; (30) - (32) - уравнения неразрывности, состояния и процесса.

Для замкнутости этой системы уравнений и построения оптимального алгоритма ее интегрирования задаются в аналитической форме средняя линия канала, средняя линия профиля лопатки и, для определения

коэффициента стеснения дс(г)=1-у (</- толщина профиля лопатки в

окружном направлении; t - шаг решетки), задается также в аналитической форме профиль лопатки.

Средняя линия канала, как и средняя линия профиля лопатки, задаются в одинаковой форме - в виде полинома:

f(z)=y{z)=alz4 +a2z3 +a3z2 +a4z+as.............................(33)

а профиль лопатки - как огибающая семейства окружностей, вписанных в профиль:

(Z-Z)4[K-/(Z)]!=r-'(z),...................................................(34)

где г'(г) - функция изменения радиусов

/••(гЬДг' + АгЧДг + А....................................................(35)

виде:

Система уравнений огибающей семейства окружностей записываются в

.......................

..(36)

В этих уравнениях знак минус соответствует верхней огибающей (г,, у,) - спинке профиля, а плюс - нижней огибающей (г„, у„), т.е. вогнутой части профиля (рис. 1).

•(37)

Рис. 1. К определению уравнения профиля лопатки. Представление компонент вектора скорости Р в виде:

_ Щ/Влшу _ усоху VIдРсоху — > — > — >........................

У « 4'

где Л' = (сои2 у + /с/'/?)"2; у - угол между касательной к меридианной линии тока и осыо г\ р - угол поворота потока газа в проточной части турбины в плоскости щ, позволили свести исходную систему уравнений к

трем дифференциальных уравнениям в частных производных относительна функций V, р и у:

А ЁР + А *+А + А ^ + А + А + А -О

А" д£ " Ш " + " 8г + " дг + " "

. др . др , Эр . д\> . дх . й* „ „„.

..............(38)

где /' = 1,2.

Численное интегрирование этой системы позволяет определять распределение параметров потока - давления, плотности и скорости потока в осевом и радиальном направлении турбодетандерной ступени.

В работе приведен пример расчета пространственного осесимметричного течения газа в ступени турбодетандера.

4. Одной из основных задач в создании утилизационных турбодетандерных установок для выработки электроэнергии является разработка системы автоматического регулирования (САР).

САР установок должна обеспечить не только поддержание частоты вращения ротора на холостом ходу генератора для его синхронизации с сетью (на рабочих режимах частота поддерживается сетью), но и, при совместном функционировании с системами регулирования ГРС, -поддержание заданных значений давления и температуры газа на выходе из ГРС.

Создание САР турбодетандерных установок базируется на результатах исследования динамических характеристик объекта регулирования, в который входит сама установка и оборудование ГРС.

На рис. 2 приведена принципиальная схема САР, динамика которой исследуется в работе.

РД-150-64

Рис. 2. Принципиальная схема САР для ГРС с турбодетандерной установкой.

В состав объекта регулирования включены: сепаратор С, подводящая газовая магистраль В, утилизационная установка с турбодетандером Т и электрогенератором ЭГ, регуляторы давления газа ГРС - РД-150-64, а также -газопроводы, соединяющие магистрали А и В.

Цифры и буквы в расчетных точках схемы обозначают входные и выходные сечения газовых магистралей (ГЕ), как динамических звеньев, на которые разбиты газовые магистрали.

Определяющими параметрами объекта приняты отклонения - давления Рг и температуры Тг на входе в ГРС, отклонение расхода газа йп, направленного потребителю, частота вращения ротора генератора а), давление газа на выходе из ГРС Рп и температура газа на выходе из

турбодетандера Тг. Регулирующим органом регулятора (0 является клапан РД-150-64. Математическая модель системы САР - уравнения динамики звеньев объекта регулирования представлена в окончательном виде:

- уравнение для газовой емкости ГЕр,«:

ЛГ,!(/>,,,)- ) = NiL(Pr)+NЛTr)...............................(39)

- уравнение для газовой емкости ГЕ^эа:

.........(40)

- уравнение для регулятора давления газа />3 0:

УУ|г1(ш,) + ЛГ„ фы)- N„ L(pH)) =0.........................................(41)

- уравнение для регулятора частоты т и BP-1:

nAp»>)+ "Ah«)-Л)8 0.......................(42)

- уравнение для регулятора давления газа р„:

Njijna)+ N„L{p„) = NAPnn)............................................(43)

- уравнение для регулятора давления газа рп:

N[A<)+ К^Р^КФш,)............................................(44)

- уравнение для регулятора давления газа р„:

N'uL(m'„)+ WAP,,) = WAPnu)............................................(45)

- уравнение для газовой емкости ГЕз,о-

"АТ\0)+ J- "ApJ- "Ащ)= JVnL(Tr).............(46)

- уравнение для турбодетандера:

NA^)-NAh0)-NApJ-N2Apw.hNKL{Tr),............(47)

- уравнение для газовой емкости ГЕ2,5.'

^Ф J- "ApJ- "¡Ар,,)- "Ак>.и)+NA^hHArXm

- уравнение для газовой емкости ГЕэи,5,<,:

где ~ изображение Лапласа параметра

Таким образом, расчет динамических характеристик САР сводится к решению этой системы уравнений с 11-ю переменными, характеризующими работу установки в условиях ГРС. Переменными параметрами системы служат следующие: а ,рп, РГ(, Р4,3., Р10, Шу,тп,Ш'п,Ш'п> Р,п.

Независимыми входными параметрами САР являются отклонения: давления газа на входе в ГРС - Рг, температуры на входе - Тг, давления настройки регуляторов Р11П и расхода газа, идущего к потребителю С„. Отклонение электромагнитной мощности генератора на режиме холостого хода N э = 0.

Полученная система уравнений решается по способу Крамера.

Из результатов решения системы уравнений построенной модели следует, что рассмотренная система автоматического регулирования обеспечивает стабилизацию частоты вращения ротора генератора на холостом ходу работы установки при всех встречающихся на практике отклонениях входных параметров.

Эта модель может быть принята за основу при разработке аналогичных систем регулирования.

В третьей главе рассмотрены основные решения, параметры и характеристики утилизационной турбодетандерной установки мощностью 2 500 кВт - У'ГДУ-2500, а также результаты стендовых и промышленных испытаний опытно-промышленного образца этой установки.

Основные данные УТДУ-2500 представлены в табл. 2.

Таблица 2

Основные технические данные установки УТДУ-2500.

Параметры установки Номинальное значение Пределы изменения (отличие от номинальных)

Расход газа через турбодетандер, млн. м^сут. 4,5 0,3+5,0

Давление газа на входе в установку, МПа 2,2 2,0+5,5

Степень понижения давления в турбодетандере 2,15 не более 2,5

Час-юта вращения ротора турбодетандера, об/мин 3000 3000

Чистота вращения ротора генератора, об/мин 3000 3000

Мощность генератора, кВт 2500 0+2500

Напряженке сети, кВ 6,3 6,3

Номинальный коэффициент мощности при индуктивной нагрузке 0,8

Температура таза, °С: - на входе и турбодетандер - на выходе из турбодетандера 0+60 0+минус 30

Характерным параметром УТДУ-2500 является одинаковая частота вращения электрогенератора и турбодетандера - 3000 об/мин. Такое решение позволяет упростить конструкцию турбоагрегата установки.

Турбодетандер агрегата - осевой, пятиступенчатый включает наружный силовой корпус и внутренний корпус-вставку, в которую входят: ротор с узлами подшипников и набор обойм сопловых аппаратов.

Конструкция турбодетандера с легкосъемным внутренним корпусом-вставкой упрощает проведение монтажных, сборочных и регламентных работ.

Ротор турбодетандера устанавливается во внутреннем корпусе на подшипниках скольжения. Для охлаждения масла используется холод газового потока после турбодетандера в специальном теплообменнике.

В турбодетандерном агрегате в качестве генератора используется генератор типа ТК-2.5-2Р производства Лысьвенского турбогенераторного завода.

Исполнение установки - блочно-комплектное.

В состав оборудования входят: блок-бокс турбодетандера, блок-бокс аппаратной, блок вихревого сепарирующего устройства и блок теплообменника.

Конструкция блок-боксов разработана на базе унифицированного бокса УБ-9, разработанного СПКБ «Проектнефтегазспецмонтаж» (ОАО «ВНИИПКспецстройконструкция», г. Москва).

Блок-бокс турбодетандера разделен герметичной перегородкой на 2 отсека. В одном отсеке находится турбодетандер, в другом - генератор с возбудительным устройством.

В блок-боксе аппаратной устанавливаются шкафы комплектно-распределительного устройства, шкафы управления генератором и синхронизации, станция управления и возбуждения генератора. Специальной перегородкой отделено помещение для установки пожаротушения, в котором расположены газовые баллоны с пиропатронами. Блок-боксы оснащены системами отопления, освещения и вентиляции.

Блок вихревого сепарирующего устройства и блок теплообменника монтируются на выходном газопроводе установки.

Оборудование подключения генератора обеспечивает необходимый, согласно требованиям ПУЭ, объем защит, управления, автоматизации и сигнализации о параметрах генератора.

Система автоматического управления и регулирования УТДУ-2500 должна обеспечивать дистанционный запуск установки и ее останов, вывод на рабочую частоту вращения ротора генератора и поддержание ее значения, аварийный останов, контроль и защиту по всем требуемым параметрам, а также поддержание заданного выходного давления газа на всех режимах.

Для практической проверки расчетных и проектных характеристик, для отработки технических решений и конструкций был изготовлен опытно-промышленный образец установки УТДУ-2500.

После проведения, при непосредственном участии автора, стендовых и опытно-промышленных испытаний этот образец был в 1992г. сдан в

эксплуатацию на ГРС-7 (г. Днепропетровск), где работает по настоящее время. Схема его подключения аналогична схеме САР, приведенной на рис. 2.

Своими газовыми магистралями турбодетандер установки подключен к входному коллектору и к выходным трубопроводам ГРС, и функционирует параллельно блоку редуцирования. Электрогенератор (напряжение 6,3 кВ) установки подключен к электросети подстанции ПС 150/35/6,3 кВ.

Для обеспечения необходимого уровня температуры газа на выходе из ГРС - на входе газа в турбодетандер установлены подогреватели газа типа ПТПГ-30.

Рассмотренные в диссертационной работе результаты многочисленных испытаний этого образца:

■ показали удовлетворительное совпадение (в пределах 3+5 %) расчетных, по построенным математическим моделям, и экспериментальных характеристик турбодетандерного агрегата и его систем;

■ подтвердили правильность основных технических решений, принятых для создания установки, конструкций турбодетандерного агрегата и его систем;

■ установили, что система автоматического управления и регулирования установкой обеспечивает устойчивое функционирование установки в составе ГРС, выход на подсинхронный уровень оборотов и поддержание этого уровня до входа генератора в энергосеть, поддержание уровня выходного давления газа на всех режимах работы, запуск установки, нормальный и аварийный ее останов;

■ установили, что электрическая часть установки обеспечивает ее нормальное функционирование в составе энергосистемы ПС на всех рабочих режимах, при включении и отключении установки;

» дают осноиание использовать основные технические решения по созданию установки, конструкторские и схемные ее решения при разработке аналогичных агрегатов.

В четвертой главе приведены результаты исследования газодинамических характеристик ГРП компрессорных станций, выполненных для оценки располагаемой ими единичной и суммарной мощности (табл. 3), рассмотрены параметры, характеристики и основные технические решения утилизационной турбодетандерной установки мощностью 300 кВт - УКС2-300, а также результаты стендовых и промышленных испытаний опытно-промышленного образца этой установки.

Таблица 3

Классификация ГРП КС по располагаемой мощности топливного газа

ЫР 1-го цеха КС, МВт Т, = 285 К Т, =373 К Т, = 573 К

К-во цехов, % к 2, N2,, МВт % к N2, К-во цехов, % к22 N22, МВт % к N22 К-во цехов, 2з % к23 N23, МВт В% к N23

N<0,5 263 93,6 67,5 82,9 188 66,9 30,4 24,8 66 23,5 20,4 10,3

0,5<Ы <1 18 6,4 13,9 17,1 91 32,4 82,9 67,7 176 62,6 130,5 66,0

N>1 - - - - 2 0,7 9,12 7,5 39 13,9 46,8 23,7

Итого 281 100 81,4 100 281 100 122,4 100 281 100 197,7 100

Как следует из таблицы, суммарная располагаемая мощность рассмотренных ГРП (281) составляет в зависимости от температуры газа: 80 (I = 12°С), 120 (I = 100°С) и 190 (I = 300°С) МВт.

Единичная мощность большинства ГРП при температуре от 12 до 100 "С составляет от 200 до 500 кВт и только при высоком температурном уровне - от 100 до 300 °С она увеличивается ориентировочно от 500 до 1 000 кВт.

Исходя из результатов оценки величины располагаемой единичной мощности большинства ГРП при температуре до 100°С, был определен уровень номинальной мощности установки УКС2-300 равный 300 кВт.

Основные данные УКС2-300 приведены в табл. 4.

Таблица 4

Технические данные установки УКС2-300._

Параметры установки Номинальное значение

Объемный расход газа, млн. м3/сут. 0,48

Степень понижения давления в турбодетандере 2,0

Давление газа на входе в ТД, МПа 4,0

Частота вращения ротора ТД, об/мин 24200

Частота вращения ротора генератора, об/мин 3 000

Мощность генератора, кВт 300

Напряжение, В 380

Установка УКС2-300 выполнена в виде блок-бокса (конструкция УБ-9), состоящего из помещений технологического оборудования и аппаратной. В помещении технологического оборудования установлены турбодетандер с редуктором и электрогенератор во взрывобезопасном исполнении.

В помещении аппаратной установлена пусковая аппаратура электрогенератора, пускового насоса и вентиляторов, а также щит контроля и управления установкой.

Турбодетандер - центростремительного типа. Соединяется с генератором через редуктор.

Рабочее колесо детандера, представляющее собой основной диск с лопатками, устанавливается консольно на высокооборотном валу-шестерне редуктора.

Ходовая часть турбодетандера, включающая в себя ротор, колесо зубчатое и подшипники редуктора, торцевое уплотнение и масляный гидрозатвор заключена в корпусе турбодетандера и редуктора.

Редуктор - одноступенчатый с косозубыми шестернями. На его корпусе установлен маслонасос низкого давления. Привод насоса осуществляется от зубчатой передачи редуктора. При запуске и останове установки применяется пусковой электронасос. Подача смазочного материала производится дополнительным лабиринтно-винтовым насосом, установленным на высокооборотпом валу редуктора.

Стабилизация температуры смазочного материала обеспечивается аппаратом воздушного охлаждения масла.

Для практической проверки расчетных и проектных характеристик, для отработки технических решений и конструкций был изготовлен опытно-промышленный образец установки УКС2-300.

После проведения с непосредственным участием автора стендовых и опытно-промышленных испытаний этот образец был в 1989г. сдан в эксплуатацию на ГРП КС-1 ПО «Оренбургтрансгаз». Схема его подключения аналогична схеме САР, приведенной на рис. 2.

Своими газовыми магистралями турбодетандер установки подключен к входному и выходному коллекторам ГРП и функционирует параллельно блоку редуцирования. Электрогенератор (напряжение 380 В) установки подключен электрокабелем к КТП ABO газа.

Системы подогрева газа на входе в установку и отопления блок-бокса установки были подключены к теплоутилизационному контуру ГКС, источником тепла в котором являются выхлопные газы турбины ГПА.

Результаты опытно-промышленных испытаний УКС2-300:

■ установили соответствие полученных экспериментальных данных расчетным параметрам ее систем и агрегатов;

■ подтвердили правильность принятых при разработке конструкторских решений всех систем и агрегатов установки;

■ установили, что система автоматического управления и регулирования установкой обеспечивает устойчивое поддержание уровня выходного давления газа на всех режимах работы, выход на подсинхронный уровень оборотов и поддержание этого уровня до входа генератора в электросеть, запуск, нормальный и аварийный останов установки;

■ показали безопасность ее функционирования в составе технологического оборудования подготовки топливного и пускового газа ГПА и электросети КС;

■ дают основание использовать основные технические решения установки при разработке аналогичных схем и агрегатов, как для оснащения БПТПГ КС, так и ГРП промышленных предприятий.

В главе пятой рассматриваются характеристики и основные решения разработанного, под руководством и при непосредственном участии автора, энергосберегающего типоразмерного ряда турбодетандерных агрегатов ЭТДА мощностью 1,5; 2,5; 4,0 и 6,0 МВт (табл. 5), а также подробная характеристика изготовленного головного образца ЭТДА-1500.

Таблица 5

Параметры турбодетандерных агрегатов ЭТДА

Нанменоианнс параметра, единица измерении Численные значения параметров

Расход газа через агрегат, н.м^ч, номинальный 40000 70000 130000 180000

Давление газа на входе и агрегат, МПа Вариант 1 0,6 0,6 0,6 0,6

Вариант 2 4,0 4,0 4,0 4,0

Давление газа на иыходе из агрегата, МПа Вариант 1 0,16 0,2 0.2 0,2

Вариант 2 0,9 0,9 0,9 0,9

Точность поддержания давления на выходе из агрегата, % ±7 ±7 ±7 ±7

Температура газа на входе в агрегат, К (°С) 313+373 (40+100) 313+373 (40+100) 313+373 (40+100) 313+373 (40+100)

Температура газа на выходе из агрегата, К ("С) 263+303 (-10-И-30) 263+303 (-10++30) 263+303 (-104-+30) 263+303 (-10-:+30)

Расчетное давление газа из условий прочности, МПа Вариант 1 1,6 1.6 1,6 1,6

Вариант 2 5,5; 7,5 5,5; 7,5 5.5; 7,5 5,5;7,5

Номинальная мощность турбодетандера, кВт 1550 2700 4200 6100

Частота вращения ротора турбодетандера и генератора, об/мин 3000 3000 3000 3000

Время пуска агрегата, мин 25 25 25 25

Изменение давления газа на выходе из ГРП (П'С) при аварийном останове установки, % не более ±10 ±10 ±10 ±10

Безвозвратные потери масла, л/ч не более 0,35 0,35 0,5 0,5

Мощность потребления злеетроонергни от посторонних источников одновременно, кВт 40 50 60 60

При разработке ЭТДА были использованы построенные математические модели и отработанные в промышленных условиях основные технические решения созданных агрегатов.

В конструкции ЭТДА применены осевые пятиступенчатые или шестиступенчатые турбодетандеры с заменяемыми сопловыми аппаратами для зимнего и летнего периодов эксплуатации.

Турбодетандеры имеют наружный (силовой) корпус и внутренний легкосъемный корпус («вставку»), в котором размещены ротор, подшипниковые узлы, диафрагмы сопловых аппаратов и узлы уплотнений. Ротор установлен на подшипниках скольжения сегментного типа.

Заданное давление природного газа на выходе из турбодетандеров обеспечивается двумя системами автоматического регулирования - одна из них поддерживает частоту вращения ротора и давление газа за турбодетандером, а другая - в байпасном (обводном) газопроводе при неработающем турбодетандере (например, в случаях аварийной ситуации). В обеих системах применены гидравлические регуляторы давления непрямого действия, хорошо зарекомендовавшие себя в аналогичных установках. Рабочей жидкостью служит масло из общей маслосистемы агрегата.

Все оборудование ЭТДА устанавливается поблочно в помещении (здании), разделенном на отсеки для турбодетандера, генератора, аппаратов высоковольтной части электрооборудования, КИП и А и пульта управления. Оборудование в помещении турбодетандера изготавливается во взрывозащищенном исполнении.

В ЭТДА используются электрогенераторы типа ТК - синхронные, трехфазные, мощностью 1 500, 2 500, 4 ООО и 6 ООО кВт, с напряжением на клеммах 6,3 или 10,5 кВ и частотой тока 50 Гц производства ХК ОАО «Привод» (в прошлом - Лысьвенский турбогенераторный завод) г. Лысьва.

В соответствии с разработанной документацией типоразмерного ряда ЭТДА в настоящее время изготовлен и находится в стадии строительства головной образец ЭТДА-1500.

Разработанные энергосберегающие турбодетандерные агрегаты -ЭТДА типоразмерного ряда: 1,5; 2,5; 4,0 и 6,0 МВт позволят при их создании оснастить ГРС и ГРП, единичная располагаемая мощность которых находится в интервале от 0,5 до 6,0 МВт и выше.

В шестой главе рассматривается новый, предложенный автором, способ подогрева газа - в плазменном разряде и устройство плазмохимического реактора (ПХР) для его осуществления.

Как рассматривалось в предыдущих главах, в утилизационных турбодетандерных установках для производства электроэнергии предусматривается подогрев газа на входе в турбодетандер. Обычно это осуществляется в подогревателях (теплообменниках) с промежуточным теплоносителем.

Способ подогрева газа с использованием плазменного разряда предлагается как более эффективный по сравнению с традиционными.

Для образования плазменного разряда в реакционной камере ПХР между электродами создается электрическое поле высокой напряженности.

Эффективность метода достигается путем формирования необходимой функции распределения электронов в плазме и селективного ввода энергии в колебательные, вращательные или электронные степени свободы молекул СИ4 (метана), что обеспечивается нахождением необходимых величин электрического напряжения и скорости прохождения газа через реакционную камеру ПХР.

Основным элементом ПХР (рис. 3) является реакционная камера. Камера образована двумя цилиндрическими коаксиально расположенными толстостенными оболочками диаметров и (Б2 > 0|). Диаметры оболочек и их разность ДО = (Э2 - выбираются в зависимости от величины проходного сечения, соответствующего величине расхода подогреваемого газа.

лаЗЫ

го

Рис. 3. Схема плазмохимического реактора.

Оболочки по торцам закрепляются в боковых стенках ПХР, имеющих по одному кольцеобразному отверстию - для входа и выхода газа.

По образующей внешней поверхности внутренней оболочки рядами вдоль оси крепятся остроконечные металлические элементы (электроды), направленные острием к внутренней гладкой поверхности внешней оболочки.

Внешняя оболочка (диаметр 02) подключается к отрицательному полюсу источника высокого напряжения, а внутренняя - к положительному полюсу того же источника. Внешняя оболочка является катодом, а внутренняя с электродами заостренной формы - анодом. Между электродами заостренной формы и гладкой поверхностью второго электрода создается стрнмсрный тлеющий разряд, в режиме которого происходит подогрев газа в ПХР.

Рассмотренный метод, апробированный в экспериментальных установках подогрева газа, дает основание считать его применение перспективным не только в энергосберегающих технологиях, но и в широком спектре задач подготовки газа.

В седьмой главе диссертационной работы приводится анализ экономической эффективности внедрения энергосберегающих турбодетандерных установок на базе основных принципов проведения оценки привлекательности инвестиционных проектов, используемых в современной практике финансового менеджмента.

Получение прибыли при вложении капитала в создание турбодетандерных установок, предназначенных для выработки электроэнергии на ГРС или ГРП предприятия, происходит вследствие:

■ снижения себестоимости конечной продукции предприятия за счет увеличения потребления собственной электроэнергии, стоимость производства которой ниже цены на электроэнергию от энергоснабжающих компаний;

■ отпуска (продажи) электроэнергии в сети региональных энергоснабжающих организаций.

В последнем случае продажа электроэнергии производится на основании статьи 14 Закона РФ «Об энергосбережении» от 03.04.1996г.

В работе приводится конкретный расчет экономической эффективности проекта, предусматривающего внедрение агрегата, предназначенного для выработки электроэнергии на ГРС, входящего в разработанный автором энергосберегающий типоразмерный ряд турбодетандерных агрегатов ЭТДА - ЭТДА-4000.

Таблица 6

Основные показатели оценки эффективности внедрения ЭТДА-4000 на ГРС

Показатели оценки эффективности Значение

Чистый приведенный доход (Net Present Value, NPV), дол. США 4896843,39

Индекс (коэффициент) доходности (Profitability Index, PI) 4,33

Период окупаемости (Payback Period, РР) дисконтированный, лет 2,672

Период окупаемости (Payback Period, РР) недисконтированный, лет 2,15

Внутренняя с тавка доходности (Internal Rate of Return, IRR), % 41,855

Данные, приведенные в таблице б свидетельствуют о высокой эффективности капиталовложений в создание ЭТДА-4000 на ГРС.

При проведении анализа чувствительности данного проекта были исследованы зависимости чистого приведенного дохода, индекса доходности, периодов окупаемости и внутренней ставки доходности от стоимости капитальных вложений в проект, стоимости выработанной электроэнергии, стоимости топливного газа и объемов производства электроэнергии в диапазоне возможных отклонений от их величин в базовом режиме.

Результаты расчета свидетельствуют, что показатели эффективности наиболее чувствительны к изменению стоимости выработанной электроэнергии и объемов производства электроэнергии. Однако даже значительное изменение этих параметров (соответственно на -30 % и -40 % по отношению к номинальному режиму) не приведут экономические показатели проекта к их критическому уровню.

В целом, данные проведенных технико-экономических исследований показывают, что реализация проекта ЭТДА-4000 на ГРС обеспечивает его достаточно высокую эффективность в широком диапазоне изменения технико-экономических параметров и условий функционирования ЭТДА-4000.

ВЫВОДЫ

1. Определены газодинамические характеристики около 300 наиболее крупных ГРС РАО «Газпром» и около 280 ГРП КС, обеспечивающих в заданных диапазонах располагаемую ими потенциальную мощность.

2. С целыо рационального использования энергии избыточного перепада давления природного газа определены основные характеристики турбодетандерных агрегатов для производства электроэнергии, состав основного оборудования турбодетандерных установок и их технологические схемы функционирования совместно с технологическим оборудованием ГРС.

3. На основе классических уравнений газодинамики одномерного и пространственного осесимметричного течения реального газа построены математические модели, разработаны алгоритмы и программы расчетов, позволяющие определять геометрические параметры и характеристики турбодетандеров, соответствующие характеристикам ГРС.

4. Получены аналитические выражения газодинамических функций реального газа, позволяющие определять их численные значения в любом диапазоне параметров потоков природного газа и использовать их для построения характеристик ТДА.

5. Построены математическая модель, алгоритм и программа расчетов, позволяющие определять динамические характеристики систем автоматического регулирования, обеспечивающих устойчивое функционирование турбодетандерных установок в условиях ГРС.

6. На основе построенных математических моделей разработаны принципиальные технические решения по созданию утилизационных турбодетандерных установок, предназначенных для преобразования энергии избыточного перепада давления газа на ГРС в электроэнергию.

7. В соответствии с разработанными техническими решениями созданы опытно-промышленные образцы турбодетандерных установок УТДУ-2500, УКС2-300 и ЭТДА-1500, заводские, стендовые и промышленные испытания которых установили соответствие их расчетно-проектных и экспериментальных характеристик и подтвердили правильность разработанных технических решений..

8. Разработаны энергосберегающие турбодетандерные агрегаты -ЭТДА типоразмерного ряда: 1,5; 2,5; 4,0 и 6,0 МВт на входное давление 4,0 и 1,0 МПа, позволяющие оснастить ГРС и ГРП в широком диапазоне располагаемых ими мощностей от 0,5 до 6,0 МВт и выше.

9. Предложен новый способ подогрева газа, основанный на использовании плазменного стримерного разряда, результаты апробации которого в экспериментальных установках дают основание считать его

применение перспективным не только в энергосберегающих технологиях, но и в широком спектре задач подготовки газа.

10. На основе данных многолетней эксплуатации опытно-промышленных образцов определены технико-экономические показатели турбодетандерных установок, характеризующие их высокую экономическую эффективность, обосновывающие состоятельность разработанных технических решений и перспективность турбодетандерной энергосберегающей технологии.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Левин Я.А., Мальханов В.П., Зеленов В.В.и др. "Исследование и разработка эффективных технологических установок охлаждения природного газа в промысловых и газотранспортных системах северных месторождений", 1981г. УДК 621, 57-621.2, № гос. регистрации 80037071. Ч

I., 198 с.

2. Левин Я.А., Мальханов В.П., Зеленов В.В.и др. "Исследование и разработка эффективных технологических установок охлаждения природного газа в промысловых и газотранспортных системах северных месторождений", 1981г. УДК 621. 57-621.2. № гос. регистрации 80037071. Ч

II,98 с.

3. Я.А.Левин, В.П.Мальханов, И.Д.Браславский, Ю.И.Лавренов. "Расчетные характеристики турбодетандерного агрегата, предназначенного для охлаждения природного газа, транспортируемого с северных месторождений", "Научные труды", ВНИПИГАЗ, 1983 г. г. Баку.

4. Мальханов В.П., Браславский И.Д., Деревянченко Г.В. и др. "Исследование и выбор рациональных способов использования потенциальной энергии газа на ГРС", 1981г. УДК 621.438.662.767.69,95 с.

5. Мальханов В.П., Деревянченко Г.В., Победимский Е.Н.и др. "Исследование технологических схем и выбор оборудования ", 1982г. УДК 622.691.4.054 1-1. № гос. регистрации 01825027803, 140 с.

6. Мальханов В.П., Браславский И.Д., Деревянченко Г.В., и др. "Исследование и разработка технического предложения по созданию турбодетандерных установок для утилизации потенциальной энергии газа на ГРС", 1983г. УДК 621.592.3.004.86. № гос. регистрации 01830022541,153 с.

7. Мальханов В.П., Победимский E.H., Богданов В.А.. Авторское свидетельство № 1576806, СССР, МК F25 В 11/00. "Установка для утилизации избыточной энергии природного газа".

8. Твердохлебов В.И., Воробьев Ю.М., Мальханов В.П. Авторское свидетельство №1572155,1987, СССР. "Турбодетандерный агрегат".

9. Мальханов В.П. и другие. Авторское свидетельство №1740788, 1992, СССР. "Компрессорная станция".

10. В.П.Мальханов, А.А.Степанец, В.Н.Шпак. Детандер-генераторные агрегаты, разрабатываемые АО "Криокор" для утилизации избыточного давления природного газа", "Химическое и нефтяное машиностроение" №4, 1997 г.

11. В.П.Мальханов, А.А.Степанец. "Детандер-генераторные агрегаты для утилизации избыточного давления природного газа", Материалы конференции "Новая техника и технологии в энергетике ОАО "Газпром", 27+29.10.1998 г.

12. В.П.Мальханов. "Энергосберегающие турбодетандерные агрегаты", "Энергосбережение и водоподготовка", №3,2001 г., М.

13. В.П.Мальханов. "Энергосберегающая турбодетандерная установка ЭТДУ-1500", "Энергосбережение и водоподготовка", №2,2003 г., М.

14. В.П.Мальханов. "Турбодетандерные агрегаты в энергосберегающих технологиях", "Материалы III Всероссийской научно-технической конференции", 7+10.10.2002 г., М.

15. Карась В.И., Мальханов В.П. Патент №2184601, Россия, МК B01D 53/32, В01 J 19/08/. "Способ переработки газа высокого давления в плазменном разряде и плазмохимический реактор для осуществления способа".

16. В.ИМальханов, Е.Н.Победимский, Г.В.Деревянченко, Н.П.Климантович. "О динамических характеристиках систем автоматического регулирования для ГРС с УТДУ", "Экспресс-информация", ВНИИЭгазпром, вып.11,1987 г., М.

17. Мальханов В.П. Патент №2208170, 2003 г., Россия. "Турбодетандерная установка для преобразования энергии избыточного давления газа газораспределительных сетей в электроэнергию".

18. V.l. Karas', P. Maljkhanov." Differential equations for integral scales of semiempirical developed-turbulence theory", "Вопросы атомной науки и техники". Национальный научный центр "ХФТИ". UDK 532.517.4. №1.2000г.

19. Карась В.И., Мальханов В.П. "Теоретические исследования разряда при атмосферном давлении в системе "Игла-плоскость" и его применения для генерации озона", Труды XXVIII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. 2000г

20. В.П.Мальханов. "Об утилизационной турбодетандерной установке УТДУ-2500", "Энергосбережение и водоподготовка", №4,2002 г., М.

21. В.И.Твердохлебов, В.П.Мальханов. "Утилизационные турбоустановки для ГРС и КС", "Газовая промышленность", №7,1985 г., М.

22. В.П.Мальханов, М.А.Петухов, В.АЛопатин и др. "Опытно-промышленная эксплуатация турбодетандерной установки", "Газовая промышленность", №1,1994 г., М.

23. В.П.Мальханов. "О рациональном использовании энергии избыточного перепада давления топливного газа КС", "Энергосбережение и водоподготовка", №3,2003 г., М.

24. В.П.Мальханов. "К вопросу об изоэнтропических формулах", "Проблемы машиностроения", №14, "Наукова думка", Киев, 1981 г.

25. В.П.Мальханов, Г.В.Деревянченко. "О газодинамических функциях для реальных газов", "Проблемы машиностроения", №22, "Наукова думка", Киев, 1984 г.

26. В.П.Мальханов. "К вопросу о численном интегрировании системы уравнений Эйлера", "Вычислительная и прикладная математика", Республиканский межведомственный сборник, вып.39,1979 г., г.Киев.

27. В.П.Мальханов. "К вопросу о расчете пространственного потока поворотного соплового аппарата", Тезисы семинара секции №4 "Гидродинамика двигателей и машин" Научного Совета по проблеме "Гидромеханика" АН УССР, 1978 г., г.Киев.

28. В.ПМальханов, В.В.Паршин, Г.В.Деревянченко. "К расчету осесимметричного потока газа в проточной части турбинной ступени", "Проблемы машиностроения", №21, "Наукова думка", Киев, 1984 г.

29. В.П. Мапьханов "Турбодетандерные агрегаты в системах подготовки и распределения природного газа", М., "Нефть и газ", 2004 г.

30. В.П. Мальханов. "Подготовка природного газа с помощью плазмохимического реактора". "Нефть, газ и бизнес", научно-техническое приложение, №1,2004г.

Подписано в печать Формат 60x90/16

Объем Тираж 100

Заказ

119991, Москва, Ленинский просп. ,65 Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

î.

f

РНБ Русский фонд

2007-4

14402