автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Повышение энергетических показателей проточных частей нагнетателей газоперекачивающих агрегатов, применяемых на предприятиях ОАО "Газпром"

Условные обозначения

Введение.

Глава 1. Современное состояние и пути совершенствования газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом.

1.1. О состоянии и перспективах развития газовой промышленности в России.

1.2. Состояние транспорта газа в ОАО "Газпром".

1.3. Особенности применения газоперекачивающих агрегатов в технологических процессах газовой отрасли.

1.4. Высокоэкономичные газотурбинные установки для механического привода, предлагаемые зарубежными фирмами.

1.5. Предложения отечественных производителей ГПА.

1.6. Состояние совместного производства ГПА.

Роль природного газа в структуре первичных энергоносителей непрерывно растет. Основной объем его добычи и транспортирования в России принадлежит акционерному обществу "Газпром" (ОАО "Газпром"). Протяженность магистральных газопроводов ОАО "Газпром" составляет более 150 тыс.км, на них установлено более 4-х тысяч газоперекачивающих агрегатов различных мощностей и конструкций. Система газопроводов непрерывно увеличивается, что требует создания новых ГПА и оснащения ими КС вновь создаваемых газопроводов. Новые ГПА требуются также для реконструкций уже действующих КС по причине изменения технологических параметров, моральному старению и физическому износу установленного оборудования.

Переход экономики России на рыночные отношения открыл новые возможности в вопросе создания высокоэффективных ГПА. Это связано с включением в решение этой проблемы конверсионных предприятий оборонного комплекса. Используя высокий научно-технический и производственный потенциал этих предприятий, ОАО "Газпром" имеет возможность получать ГПА по техническому уровню не уступающие зарубежным аналогам и при этом обеспечивать свою независимость от зарубежных поставщиков. Такое сотрудничество очень выгодно и предприятиям-производителям ГПА, т.к. они имеют возможность не только сохранять, но и наращивать свой научный, технический и производственный потенциал, сохранять рабочие места.

Перед этими предприятиями ставится задача по разработке и созданию отечественных ГПА, не уступающих по техническому уровню зарубежным аналогам. Эта задача успешно решается. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет ГПА-12"Урал" и ГПА-16"Волга". ГПА-12"Урал" разработан и выпускается НПО "Искра" (г.Пермь), ГПА-16"Волга" разработан АОЗТ "НИИтурбокомпрессор, а серийный выпуск его организован на Казанском моторостроительном объединении.

Разработки технических требований, технических заданий, основных технических решений этих агрегатов производились под непосредственным руководством и личном участии автора.

Реализация требований технических заданий на ГПА потребовала проведения обширного комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:

- в части создания, доводки и освоения в серийном производстве двигателей нового поколения (работы по повышению коэффициента полезного действия, надежности общетехнического ресурса, уровня экологически вредных выбросов, ремонтопригодности и т.д.); в части создания нагнетателей (разработка, исследования новых высокоэффективных проточных частей, магнитных подвесов ротора, "сухих" газодинамических уплотнений, вопросов динамики роторов, разработка вопросов унификации и т.д.); в части создания и внедрения систем автоматического управления нового поколения; систем пожаротушения; в части создания высокоэффективных систем всасывания и выхлопа, включая решение проблемы утилизации тепла выхлопных газов; комплекс работ по компоновочным решениям ГПА в целом и т.д.

Часть работ из перечисленного комплекса, касающиеся вопросов унификации нагнетателей, создание новых высокоэффективных проточных частей, создания сменных проточных частей для реконструкции существующих ГПА, выполнялись под непосредственным руководством и личном участии автора. Результаты этих работ являются основой настоящей диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

1.7. Основные выводы. Цели и задачи

Анализ состояния парка ГПА в системе транспорта газа, анализ специфики и перспектив применения ГПА в технологических процессах газовой отрасли позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Газовая промышленность является динамично развивающейся отраслью народного хозяйства, ее развитие характеризуется тенденцией роста парка ГПА с газотурбинным приводом, что вызвано как потребностями нового строительства, так и заменой морально устаревших и физически изношенных ГПА на действующих КС.

2. Динамика развития газовой промышленности, темпы освоения новых месторождений, создание новых КС, реконструкция действующих, требуют ускорения процесса создания новых ГПА, разработки новых подходов к их проектированию.

3. Технический прогресс в области создания ГПА с газотурбинным приводом идет по пути увеличения их экономичности, роста экологической безопасности, увеличения надежности, повышения уровня автоматизации, удешевления и ускорения строительно-монтажных работ, применение принципов унифицирования, агрегатирования, блочно-контейнерного исполнения.

4. Необходимость использования ГПА в различных технологических процессах требует универсальных конструкций агрегатов на основе унификации баз и узлов.

5. Повышение экономичности ГПА обеспечивается повышением КПД термодинамического цикла ГТУ; повышением аэродинамического совершенства проточных частей ГТУ и нагнетателя; повышением степени регенерации и утилизации тепла выхлопных газов; созданием эффективных вспомогательных агрегатов и систем; применением современной САУ.

6. Отечественные производители ГПА максимально приблизились к началу серийного выпуска агрегатов нового поколения, соответствующих по параметрам мировому уровню.

В части создания нагнетателей для ГПА, следует указать задачи, требующие решения:

1. Активизация работ по совершенствованию аэродинамики проточной части, включающих как экспериментальные исследования, так и дальнейшее развитие расчет-но-теоретических методов.

2. Переход к проектированию газовых компрессоров применительно к конкретной гидравлической сети.

3. Взаимозаменяемость нагнетателей различных фирм или различных модификаций одной фирмы при их использовании с приводом определенной мощности, в том числе, как с газотурбинным так и электрическим.

4. Реализация ряда технологических модификаций нагнетателей путем замены сменных проточных частей в заданном (унифицированном) корпусе.

5. Применение секционной компоновки компрессорной установки с внешним переключением секций с параллельной на последовательную схему работы и обратно. Данное решение существенно расширяет диапазон работы установки на переменных режимах. (В качестве секции в данном смысле может служить корпус, содержащий несколько ступеней).

6. Создание и освоение в серийном производстве компрессоров на выходное давление 150-300 атм с возможностью осуществления параллельно-последовательного процесса сжатия.

7. Создание и освоение в серийном производстве "сухих" (безмасляных) компрессоров с "сухими" газодинамическими уплотнениями и магнитными подвесами ротора.

8. Создание и освоение в серийном производстве герметичных компрессоров, в которых передача крутящего момента от приводного двигателя к валу компрессора передается через магнитную муфту. Для этой цели необходимо провести комплекс работ по созданию такой муфты.

Данная работа направлена на решение научно-технических проблем по созданию ГПА нового поколения.

Целью работы является: на основе проведения комплекса расчетно-теоретических и экспериментальных работ, создание и внедрение в сжатые сроки новых высокоэффективных проточных частей для нагнетателей природного газа, которыми комплектуются ГПА.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

Глава 2. Разработка газодинамических схем линейных нагнетателей для ГПА

2.1. Постановка задачи

В настоящее время Управлением транспорта газа и газового конденсата ОАО "Газпром" реализуется программа по созданию ГПА нового поколения, которая включает создание газотурбинных двигателей нового поколения (ГТД-СТ) с увеличенными КПД, существенно улучшенными экологическими показателями, показателями надежности, а также высокоэффективных центробежных йагнетателей. Примером таких ГПА могут служить ГПА-16 "Волга" и ГПА-12 "Урал".

В данном разделе работы предложен системный подход к проектированию нагнетателей, который позволяет установить взаимосвязь проектных параметров и их влияние на конструкцию установки "нагнетатель-двигатель" в целом. Предложенный подход может быть весьма полезным при решении вопроса унификации нагнетателей, создаваемых для приводного двигателя определенной мощности.

В основе предлагаемого подхода лежат следующие посылки. Рассмотренные потребностей предприятий ОАО "Газпром" в центробежных нагнетателях [29] позволяет сделать заключение, что диапазон потребностей в центробежных нагнетателях очень широк. Это линейные нагнетатели, нагнетатели дожимных компрессорных станций (ДКС), нагнетатели агрегатов, работающих на станциях подземного хранения газа (ПХГ), и нагнетатели, предназначенные для обратной закачки газа в пласт (сайклинг-процесс). Технологические параметры назначения ГПА представлены в табл.2.1.

1. Шайхутдинов А.З. О состоянии и перспективах развития газовой промышленности России. Доклад на 11 международной научно-технической конференции по компрессорной технике 27-29 мая 1998 г. г.Казань.

2. Седых А.Д., Гриценко А.И., Галиуллин З.Т. Магистральный транспорт газа в XXI веке. Наука о природном газе. Сборник научных трудов. М., 1998 г., стр.389 РАО "Газпром" ВНИИГАЗ.

3. Барцев И.В., Музалевский В.И., Пятахина Т.Т., Теребина М.Г. Развитие технологии транспорта газа с применением центробежных компрессоров. Наука о природном газе. Сборник научных трудов. М., 1998 г., стр.435. РАО "Газпром" ВНИИГАЗ.

4. Грищенко А.И., Галиуллин З.Т., Комягин А.Д. Оптимизация режимов газотранспортных систем в условиях падающего газопотребления. Наука о природном газе. Сборник научных трудов. М., 1998 г., стр.402, РАО "Газпром" ВНИИГАЗ.

5. Галиуллин З.Т., Леонтьев Е.В., Нейтур С.Х. Влияние проектных параметров на энергоемкость транспорта газа. Газовая промышленность 1982г. №9 стр.27-29.

6. Галиуллин З.Т., Васильев Ю.Н. Научно-технические разработки в магистральном транспорте газа. Газовая промышленность 1982 г. №3, стр.27-29.

7. Апанасенко А.И., Малюшенко В.В. Газоперекачивающие агрегаты для газовой промышленности. М., 1985г.-50с. (Обзорная информация. ЦИНТИхимнефте-маш.сер. ХМ-5).

8. Синицын С.Н., Леонтьев Е.В. Технология компримирования газа центробежными компрессорами на подземном хранилище.М., 1981-27с. (Обзорная информация. ВНИИЭгазпром. Сер. Транспорт и хранение газа. Вып.6.).

9. Васильвев В.Г., Ермаков В.И., Жабрев И.П. Газовые и газоконденсатные месторождения М., Недра. 1983 г.

10. Аулова В.Н., Бобошко A.B., Ковалко М.Н. и др. Сайклинг-процесс на Новотроицком ГКМ: опыт, выводы. Газовая промышленность. 1984 г. №2, стр. 16-И 9.

11. Щуровский В.А., Проклов И.А., Корнеев В.И., Кузнецов В.А. Технические решения по реконструкции и переоснащению газотурбинных компрессорных узлов. Обзорная информация. Государственный газовый концерн "Газпром". ВНИИЭгазпром, Москва, 1990 г.

12. Disel and Gas Turbine World wide Catalog, v. 62. 13555 Bishoop's Court, Brookfield, wl 53005-6286. USA. 1998.

13. Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. М., Машиностроение. 1995 г. 240 с.

14. Мифтахов A.A., Зыков В.И. Входные и выходные устройства центробежных компрессоров. Изд-во "Фэн". Казань, 1996г. 198с.

15. Кулицкий О.Т. Бесконтактные уплотнения EG and SEALOL для центробежных газовых компрессоров. Труды III международного симпозиума "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-1997г." 18-20 июня 1997 г.стр. . СПбГТУ. 1997г.

16. Блочно-комплектный газоперекачивающий агрегат ГПА-12 "Урал". РАО "Газпром". Информационно-рекламный центр газовой промышленности. Москва, 1996 г.

17. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры, Л., Машиностроение 1982 г.,270с.-4кк

18. Исследование ступени с повышенным коэффициентом расхода для УЦКМ. Отчет СКБ-К №2305-85. Казань, 1985 г. 380с.

19. Вячкилев O.A. Аналитическое описание формы центробежных рабочих колес с пространственными лопатками. Проектирование и исследование компрессорных машин.-Сборник научных трудов под ред.В.Б.Шнеппа. Казань, 1982 г. стр.65-72.

20. Разработка и исследование ступеней центробежных компрессоров с рабочими колесами осерадиального типа. Отчет СКБ-К №878-75. Казань, 1975 г. 194 с.

21. Разработка методики и программы расчета на ЭВМ осесимметричного потока газа в аэродинамических каналах центробежных компрессоров конструкции СКБ-К. Отчет СКБ-К №1376-80, Казань. 1980 г. 65с.

22. Разработка метода теоретического анализа трехмерного потока в элементах ступени центробежных компрессоров с применение ЭВМ. Отчет СКБ-К. №1607-82. Казань.1982 г. 140 с.

23. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. 2-ое издание перер. и доп. Л., Машиностроение, Ленинградское отделение. 1986 г., 392 с.

24. Лифшиц С.П. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. М.-Л., Машиностроение 1966 г., 340 с.

25. Течение в решетках. А.Р.Хауэлл. Аэродинамика больших скоростей и реактивная техника. Том X. Аэродинамика турбин и компрессоров. Под ред. Ч.Р.Хауторна. Перевод с английского. Под ред. В.С.Бекнева и В.Т.Митрохина. М.Машиностроение, 1968 г. стр.335-387.

26. Никитин A.A., Цукерман C.B. Расчет потерь в выходном устройстве компрессора. В кн. Повышение эффективности паровых и газовых холодильных машин.-Л., 1989 г. с.58-65.

27. Разработка методики и программы оптимизации проточной части ступени ЦКМ на основе поиска минимума функции многих переменных. Отчет "НИИтурбокомпрес-сор". №29992-90. Казань, 1990 г. 77 с.

28. Проккоев В.В., Солтеев II.B., Хисамеев И.Г. и др. Информационно-измерительный комплекс для исследования компрессорных ступеней центробежного типа. Компрессорная техника и пневматика. Вып.4-5, стр.68, г.Санкт-Петербург, 1994 г.