автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Повышение эффективности использования центробежных нагнетателей с газотурбинными установками в газотранспортных системах

/

/

)

РАО ГАЗПРОМ

Дочернее предприятие по транспортировке и поставкам газа

ТЮМЕНТРАНСГАЗ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ С ГАЗОТУРБИННЫМИ УСТАНОВКАМИ В ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные

турбоустановки

На правах рукописи

ЗАВАЛЬНЫЙ Павел Николаевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Бродов Ю.М.

Югорск - Екатеринбург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................12

1.1 Особенности совершенствования технологии комприми-рования газа на отечественных компрессорных станциях и роль фактической эффективности ЦН в расходе топливно-энергетических ресурсов...........................................12

1.2. Связь геометрических параметров ступеней и подходов разработчиков к показателям ЦН........................................20

1.3. Особенности использования нагнетателей на КС

ДП «Тюментрансгаз»..........................................................27

1.4. Постановка задач исследования..........................................37

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ В ГОДОВОМ ЦИКЛЕ РЕЖИМОВ.......................................................................................39

2.1. Недостатки существующей системы учета

работы ГПА.........................................................................39

2.2. Анализ показателей эффективности эксплуатации ГПА...45

2.3. Анализ и обобщение наиболее характерных причин сниженной эффективности ЦН и возможности ее предотвращения....................................................................49

2.4. Достоинства и недостатки применяемых методов контроля эффективности ЦН................................................51

2.5. Разработка и реализация системы дополнительной обработки данных в годовом цикле режимов......................55

2.6. Выводы...................................................................................62

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВЫБОРА

РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦН И ТРЕБОВАНИЙ К ПРОТЕКАНИЮ ИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК............................................................63

3.1. Анализ существующих систем выбора расчетных параметров ЦН в 60-е и 70-е годы....................................63

3.2. Анализ влияния геометрических параметров рабочих колес ЦН на диапазон высоких значений КПД.................68

3.3. Анализ влияния типа и особенностей конструкции выходного устройства на характеристику

ступени и ЦН.......................................................................75

ВВЕДЕНИЕ

Доля природного газа в энергобалансе нашей страны и во всем мире непрерывно возрастает. В ближайшее время должна быть составлена, а в дальнейшем уточнена, программа строительства новых газопроводов, компрессорных станций (КС) и реконструкции существующих газотранспортных систем, так как большинство газопроводов и компрессорных станций отработало уже значительную часть назначенного ресурса.

При ограничении строительства новых газопроводов и КС реконструкция действующих компрессорных цехов становится главным способом повышения эффективности работы газотранспортных предприятий.

Известно, что наиболее крупной газотранспортной системой от Северных районов Тюменской области к промышленным центрам Урала и другим газоперекачивающим предприятиям (Пермтрансгаз, Севергазпром) ' является Тюментрансгаз.

В связи с недостатком необходимых средств на быструю реконструкцию основных объектов системы актуальным становится применение энергосберегающих технологий, в том числе на существующем оборудовании. К таким вопросам можно отнести и повышение эффективности использования газоперекачивающих агрегатов за счет оптимизации согласования характеристик газокомпрессорных машин с характеристиками участков газопровода с одной стороны и с газотурбинным приводом с другой.

Еще во время работы на газокомпрессорных станциях в различных должностях автор обратил внимание на неиспользуемые резервы экономии топливного газа, заключающиеся в том, что эксплуатация центробежных нагнетателей (ЦН) на многих режимах работы происходит с пониженным

КПД. Приводящие ЦН стационарные ГТУ и конвертированные транспортные ГТД, несмотря на наличие предусмотренных разработчиками резервов мощности, также часто не могут обеспечить режимов наиболее рациональной эксплуатации.

При углубленном изучении этого вопроса выяснилось, что выданные разработчикам газотранспортного оборудования технологические требования на создание машин не учитывали специфики их эксплуатации в развивающейся многониточной газотранспортной системе (ГТС).

В дальнейшем, работая ряд лет руководителем производственного отдела компрессорных станций, автор начал изучать и разрабатывать методы, с помощью которых можно было сформулировать технические требования и усовершенствовать характеристики газоперекачивающего оборудования.

Одной из первых совместных с создателями ЦН работ было получение улучшенных газодинамических характеристик нагнетателя фирмы Демаг для Пуровской КС. Эта работа была успешно завершена и показала, что в дальнейшем для усовершенствования характеристик ЦН необходимо пожелания облечь в инженерно обоснованную форму.

Другой ранней работой стало сотрудничество с создателями двигателя НК-16-СТ для газоперекачивающего агрегата (ГПА) типа ГПА-Ц-16. Было необходимо проанализировать возникающие в процессе эксплуатации дополнительные факторы, ограничивающие располагаемую мощность двигателя с тем, чтобы использовать его более эффективно. В результате совместных действий с разработчиками и изготовителями двигателя его мощность была форсирована до 18 МВт и были выпущены специальные технические условия на поставку.

Одновременно с этим в конце 80-х и в 90-е годы автор начал систематическую исследовательскую работу по повышению эффективности использования нагнетателей с газотурбинным приводом

применительно к условиям их эксплуатации на КС такой газотранспортной системы, какой является Тюментрансгаз.

Актуальность проводимой работы вытекала из того, что в 200-х газокомпрессорных цехах системы далеко не все ГПА использовались с необходимым эффектом, а причины этого не всегда были ясны.

Целью работы было выявление истинных причин сложившегося положения по основным типам агрегатов, выполнение анализа по этим ГПА и по отдельным компрессорным цехам, а также выработка предложений и мероприятий по повышению эффективности эксплуатации парка газоперекачивающего оборудования.

В процессе выполнения работы выяснилось, что многие факторы, определяющие эффективность эксплуатации ГПА, применительно к развитой и сложной газотранспортной системе не исследованы, а требования к газоперекачивающему оборудованию не учитывают особенностей эксплуатации ГПА в сложившихся условиях. Исходя из конкретной ситуации, потребовалось придать более технически обоснованную форму многим качествам, которыми должен обладать центробежный нагнетатель и ГПА в целом.

Так, например, автором было введено в практику понятие оптимальности характеристики центробежного нагнетателя природного газа. Опираясь на известные положения теории ЦКМ о путях достижения наиболее высокой проектной экономичности, внимание было сконцентрировано на геометрических параметрах проточной части, которые определяют не максимальный КПД на расчетном режиме, а оптимальные газодинамические характеристики (напорная и КПД). Для этого впервые в практике использования ЦКМ для транспорта газа были введены специальные коэффициенты, значения которых дают количественное измерение совершенству характеристик.

Было предложено для модернизируемых проточных частей использовать соответствующим образом обработанные среднемесячные данные по эксплуатации компрессорных цехов с различными ГПА, что отражено в главе 2.

Для определения оптимальности проточных частей ЦН были подробно рассмотрены совместные характеристики нагнетателей ГПА разной мощности различных типов и проанализированы рабочие режимы при ступенчатом регулировании отключением и включением ГПА.

Вопрос оптимизации совместной работы нагнетателей и ГПА в целом в цехах участков газотранспортной системы при шести или восьми газопроводах 01400, соединенных перемычками 01000 перед и за КС, требовал также своего решения и рассмотрен автором (глава 3).

Неясен был также вопрос достижения максимальной эффективности ГПА в целом для агрегатов различных типов на режимах пониженной степени сжатия КС. Для этой задачи также предложено решение, изложенное в главе 4.

Повышение эффективности использования нагнетателей естественно должно быть рассмотрено совместно с возможным улучшением характеристик газотурбинного привода. Хотя последнее не является основной целью настоящего исследования, в главе 5 кратко изложены результаты экспериментальных работ по ГТД и ГТУ, выполненные одновременно с исследованиями по нагнетателям.

Цель работы. Целью исследования было выявление причин неэффективного использования ЦН с ГТУ по основным типам агрегатов в условиях эксплуатации, выполнение анализа, как по ГПА, так и по отдельным компрессорным цехам, а также выработка обоснованных предложений и мероприятий по повышению эффективности эксплуатации парка газоперекачивающего оборудования.

Научная новизна

Работа выполнена в сложной газотранспортной системе с разнообразными условиями работы газоперекачивающего оборудования.

1. Установлено, что сниженная эффективность работы ЦН в большинстве случаев связана с тем, что при формулировке проектантами компрессорных станций (КС) технических требований к оборудованию не были учтены режимы работы газотранспортной системы после ее полного развертывания.

2. Предложена методика дополнительной обработки среднемесячных данных эксплуатации в годовом цикле режимов, позволяющая определить в большинстве компрессорных цехов экономичность нагнетателей и полноту загрузки газотурбинного привода в течение года и обосновать последовательность модернизации ГПА на различных компрессорных станциях в конкретных условиях эксплуатации.

3. Для оценки оптимальности газодинамической характеристики ЦН, кроме общепринятых показателей (КПД в расчетной точке, запас по устойчивости), предложено использовать коэффициенты, определяющие ширину области с 77цн>0,80, расположение этой области и удаленность

границы зоны 7/цн >0,80 от линии помпажа (коэффициенты К] К4).

Тем самым впервые дано количественное описание пологости характеристик нагнетателей, уже используемое исследователями СПГТУ.

4. Предложен новый метод обоснованного расположения зоны максимального КПД для модернизируемых проточных частей нагнетателей, который позволяет получить наилучшие показатели экономичности ЦН в эксплуатации при сохранении среднегодового режима работы цеха.

5. Разработан новый метод анализа совместных характеристик ГПА и участков газопровода, который при распространении его на все типы агрегатов позволяет уточнить данные о действительной эффективности каждого типа ГТУ с каждой модификацией ЦН в годовом цикле режимов.

6. Показано, что рациональное управление многоцеховой КС должно включать в себя измерение перепадов давления между цехами на входе и выходе КС дифференциальным способом. На базе этих измерений должно производиться перераспределение потоков газа между цехами.

Практическая значимость работы

1. Предложенная система дополнительной обработки данных среднемесячной эксплуатации компрессорных цехов в годовом цикле режимов позволила обоснованно (с учетом экономического эффекта) откорректировать график модернизации ГПА.

2. Введенная система количественной оценки оптимальности газодинамической характеристики ЦН с помощью новых уточняющих коэффициентов позволила заказать такие сменные проточные части нагнетателей, которые существенно поднимут эффективность эксплуатации этого оборудования.

3. Разработанный метод получения зависимостей эффективности ГПА от производительности компрессорного цеха уже используется на практике диспетчерской службой при распределении нагрузки между цехами многоцеховой КС.

Автор защищает

• Предложенную систему дополнительной обработки данных эксплуатации в годовом цикле режимов для контроля КПД нагнетателя и загрузки привода с целью выбора параметров и характеристик сменных проточных частей ЦН и получения максимальной эффективности при модернизации оборудования.

• Разработанную оценку оптимальности газодинамической характеристики нагнетателя с помощью дополнительных коэффициентов, определяющих диапазон области эффективной работы оборудования.

• Предложенный метод обоснованного расположения зоны максимального КПД для модернизации проточных частей нагнетателей, обеспечивающий максимальную эффективность в годовом цикле режимов при эксплуатации ЦН.

• Разработанный метод анализа совместных характеристик ГПА и участков газопровода с учетом изменения эффективности как приводящей ГТУ, так и нагнетателя.

Апробация работы

Основные положения и материалы диссертации докладывались на следующих симпозиумах, конференциях и научно-технических сессиях:

- ХЫП научно-технической сессии по проблемам газовых турбин. РАН. Москва. 1996 г.;

- Втором международном симпозиуме "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования. Санкт-Петербург. 21-23 мая 1996 г.;

- Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели". Москва. 1921 ноября 1996 г.;

- Третьем международном симпозиуме "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования". Санкт-Петербург. 18-20 июня 1997 г.;

- ХЫУ научно-технической сессии по проблемам газовых турбин. РАН. Москва, 22-25 сентября 1997 г.;

Четвертом международном симпозиуме "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования". Санкт-Петербург. 18-20 июня 1998 г.;

- Международном конгрессе "Новые технологии для газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи ". Казань. 16-20 июня 1998г.;

- ХЬУ научно-технической сессии по проблемам газовых турбин. РАН. Санкт-Петербург. 1-2 июля 1998 г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 19 работ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка. Общий объем диссертации 163 страницы, в том числе 40 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список включает 45 наименований.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности совершенствования технологии компримирования газа на отечественных компрессорных станциях и роль фактической эффективности ЦН в расходе топливно-энергетических ресурсов

С начала 80-х годов в отечественной литературе уделяется большое внимание эффективности использования ЦН на компрессорных станциях газопроводов. Одной из первых всесторонне охватывающих публикаций был обзор ВНИИгаза [40]. В нем отмечалось влияние эрозионного износа проточной части на КПД ЦН и оценен средний коэффициент технического состояния Ктс=0,95. Приведена зависимость относительного г^ от относительного приведенного объемного расхода для парка нагнетателей того времени (рис. 1.1). Введено понятие режимного коэффициента нагнетателя Креж и оценено, что в интервале 70% возможной зоны все установленные в то время нагнетатели способны обеспечить рабочую

эффективности проточной части ЦН. Нагнетатели с безлопаточным диффузором (БЛД) (Н-16-75, Н-300-1,23, РСЬ-802/24) давали более пологую зависимость КПД от относительного расхода.

Гидравлическое сопротивление коммуникаций на КС предлагалось учитывать по приближенной формуле

область с К

реж

Г]

тах

п

где п=0,22-25 - коэффициент адиабатического сжатия;

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 I,* 1,5

Рис. 1.1. Зависимость относительного КПД ЦН от относительного приведенного объемного расхода по данным /40/.

Рис 1 2 Типы проточных частей ступеней, используемых в ЦН Тюментрансгаза: а - с консольным расположением РК радаального типа; б- с кольцевым подаодом газа при увеличенном <1; в - с РК осерадиального типа и БЛД; г - с РК пространственного типа и БЛД.

гг£_ - относительная потеря давления в любой части тракта КС.

Р

Отдельно предлагалось учитывать потери от рециркуляции и от неплотности арматуры.

Другой работой того времени, посвященной снижению энергоемкости транспорта газа, был обзор [43]. В нем, в частности авторы предлагали уделить большое внимание низконапорной технологии и снижению шага КС, екс и Мкс. По данным авторов [43] при низконапорной технологии (например гкс=1,3) г|цн выше на 4-5%, чем при 8кс~1,5 и зависимость Лцн={Ш) более полога (современная практика этих цифр не подтверждает, а только тенденцию). Особенно привлекала авторов низконапорная те�