книги из ГПНТБ / Хушпулян, М. М. Технико-экономические показатели современных компрессоров и установок

М. М. ХУШПУЛЯН

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

СОВРЕМЕННЫХ КОМПРЕССОРОВ

И УСТАНОВОК

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А »

М о с к в а 1974

ВВЕДЕНИЕ

Высокие темпы развития нефтегазовой промышленности и, как следствие этого, необходимость компримирования огромно­ го количества нефтяного и природного газа при его сборе, тран­ спорте, переработке, закачке в пласт, газлифтной эксплуатации скважин и других технологических процессах обусловили воз­ растание производства компрессорных машин и их установок.

Специфические условия нефтегазовой промышленности, зак­ лючающиеся в территориальной разбросанности эксплуатируе­ мых объектов, переменно возрастающем и убывающем по вре­ мени характере количественных и качественных параметров компримирования газа, большом многообразии первоначальных и конечных давлений нагнетания, предопределили создание компрессорных машин, различающихся между собой как по принципу осуществляемого в них сжатия, так и по раз­ нообразию типоразмеров, давлению нагнетания и производи­ тельности .

Все компрессорные машины можно разделить на два клас­ са: в одном компримирование основано на принципе вытесне­ ния, в другом осуществляется за счет сообщения газу большой скорости с последующим преобразованием кинетической энер­ гии потока в работу сжатия нагнетаемого газа.

К первому классу компрессорных машин относятся поршне­ вые, винтовые и ротационные компрессоры, ко второму — цент­ робежные и осевые.

Общим направлением в развитии современного компрессоростроения являются обеспечение максимальных значений к. п. д., уменьшение веса компрессоров и их габаритов, достижение про­ стоты конструкций, надежной и длительной их работы. В по­ следние годы как отечественной, так и зарубежной промышлен­ ностью достигнуты значительные успехи. Высокий уровень развития технологии энергомашиностроения, обеспечение про­ мышленности высококачественными сортами стали, познание сложных газодинамических процессов в проточной части цент­ робежных и осевых компрессорных машин, а также тщательные

3

исследования и усовершенствование термодинамических про­ цессов газовых двигателей явились реальной основой для соз­ дания высокоэффективных компрессоров и их установок с отно­ сительно малыми металлоемкостью и габаритами, что имеет чрезвычайно важное технико-экономическое значение для неф­ тегазодобывающей промышленности.

Поршневые компрессоры в силу применяемого в них прин­ ципа компримирования остаются вне конкуренции в обеспече­ нии высоких и сверхвысоких давлений нагнетания, являясь в то же время относительно малопроизводительными и громоздкими машинами. Многолетние поиски, направленные на уменьшение их веса, габаритов и повышение производительности, привели к необходимости создания поршневых компрессоров с оппозитным расположением цилиндров. При этом представилось воз­ можным довести частоту вращения вала машины мощностью 2000 л. с. до 1000 об/мин (вместо 300—400 об/мин при неоппозитном расположении компрессорных цилиндров в машинах старых конструкций). Для компрессоров мощностью 5000 л. с. и выше частота вращения при оппозитном расположении ком­ прессорных цилиндров увеличена до 300—350 об/мин (против 125—180 об/мин). Это привело к значительному уменьшению веса и габаритов машин. Вес компрессора на оппозптных базах снижается вдвое, а занимаемая им площадь сокращается на 40%. В еще большей степени уменьшается масса фундамента ввиду хорошей уравновешенности сил инерции этих компрес­ соров. Эти преимущества предопределили решительный пере­ ход на выпуск поршневых компрессоров с оппозитным располо­ жением цилиндров.

Другое весьма важное направление на пути уменьшения ве­ са и габаритов компрессоров, повышения их технико-экономи­ ческой эффективности и обеспечения автономности энерго­ снабжения путем эффективного использования нефтяного и природного газа — создание газомотокомпрессорных агрега­ тов. Комплексное использование в их конструкции оппозитных баз, совместное агрегирование газового двигателя с компрессо­ ром, применение современных систем наддува к силовым ци­ линдрам газового двигателя, использование рациональных систем воздушного охлаждения компрессорной установки и пол­ ная их автоматизация явились решающими факторами, позво­ лившими создать высокоэффективные газомотокомпрессорные агрегаты и их установки с малой металлоемкостью как в ста­ ционарном, так и передвижном исполнении. Выпуск таких агре­ гатов всеми ведущими фирмами осуществляется в весьма боль­ шом типоразмерном исполнении, мощность их находится в пре­ делах от 250 до 12 500 л. с.

Существенные изменения произошли также в области про­ изводства винтовых и ротационных компрессоров. Эти маши­ ны — разновидность компрессорных машин объемного типа, в

4

которых сжатие осуществляется по принципу вытеснения, но без наличия в их конструкции кривошипно-шатунного механиз­ ма. Это обеспечило возможность применения больших скоро­ стей и, как следствие этого, достижения большой производи­ тельности при малых весе и габаритах. Использование специ­ альных сталей, высокая точность изготовления сопряженных деталей и узлов позволили современной промышленности нала­ дить выпуск большого типоразмерного ряда винтовых и рота­ ционных компрессорных машин с диапазоном производительно­ сти от 66 до 700 м3/мин и давлением нагнетания от 3 до 10 кгс/'см2. Возможность эффективного использования в винто­ вых и ротационных компрессорах избыточных давлений нефтя­ ного газа при столь значительных степенях сжатия предопреде­ лили их широкое применение в системах сбора и транспорта нефтяного газа. Важное преимущество ротационных компрессо­ ров, заключающееся в возможности их использования в каче­ стве вакуумных агрегатов, открывает широкие перспективы для их применения на нефтегазовых промыслах с целью более эф­ фективной вакуумной стабилизации нефти. Одновременно с этим обеспечивается полная ликвидация потерь легких углево­ дородов, исключается необходимость применения сложных уст­ ройств для герметизации систем сбора, транспорта и хранения нефти.

За последние 10—15 лет достигнуты значительные успехи в производстве центробежных компрессоров, в основном высоко­ напорных с давлением нагнетания до 350 кгс/см2. Рост мощно­ сти технологических установок современной многоотраслевой промышленности, интенсификация производственных процессов, неразрывно связанная с потреблением огромных количеств газа с высокими давлениями нагнетания, необходимость непрерывной подачи компримируемого потока и существенного уменьше­ ния площади компрессорных цехов явились основными предпо­ сылками создания высоконапорных центробежных компрессо­ ров. Б ■нефтегазовой промышленности их применение имеет большое технико-экономическое значение, поскольку в таких технологических процессах, как закачка огромных количеств газа в пласт для интенсификации нефтеотдачи и подземно­ го хранения газа, способствует существенному уменьшению ка­ питальных и эксплуатационных затрат по сравнению с установ­ ками, оборудованными поршневыми компрессорами.

Весьма важно использование высоконапорных центробеж­ ных компрессорных машин для морских месторождений нефти и газа вследствие высокой стоимости площади морских осно­ ваний.

Качественные изменения произошли также в области совер­ шенствования осевых компрессорных машин в связи с резким увеличением агрегатной мощности газовых турбин.

Вследствие существенного увеличения производительности,

5

давления нагнетания и к. п. д. современных компрессоров зна­ чительно расширились ранее обусловленные пределы их при­ менения. Поэтому выбор класса и типа компрессорных машин для конкретно рассматриваемой технологической установки с целью обеспечения максимального технико-экономического эффекта должен решаться с учетом технического уровня совре­ менного компрессоростроения.

Поскольку среди потребителей компрессорных машин неф тегазодобывающая и нефтехимическая промышленность зани­ мают одно из ведущих мест, а компрессорные установки харак­ теризуются большой мощностью, выбор как типа компрессора, так и агрегатной мощности должен осуществляться путем .соот­ ветствующих технико-экономических расчетов.

Вместе с отечественными компрессорами и их установками на объектах нефтегазодобывающей и нефтехимической промыш­ ленности применяется и компрессорное оборудование, произве­ денное некоторыми зарубежными фирмами.

Для достижения высоких экономических показателей комп­ римирования многими фирмами наряду с компрессорами по­ ставляются и приводы соответствующего типа или даются рекомендации по применению того или иного вида привода. На­ пример, в установках, где имеются отходящие газы с избыточ­ ным давлением от 3 до 11 кгс/см2 и температурой от 400 до 600° С в качестве привода к центробежным и осевым компрес­ сорам используют рекуперационную турбину. В установках, где требуется расширение сжатого газа для его разделения, в ка­ честве привода применяются турбодетандеры, которые, как по­ казывает опыт эксплуатации, обеспечивают высокие техникоэкономические показатели компрессорных установок. Мощность современных рекуперациониых и турбодетандерных приводов, по данным зарубежных фирм, находится в пределах от 1000 до

20 000 л. с.

Стремление максимально уменьшить капитальные и эксплуа­ тационные затраты привело к созданию специальных компрес­ сорных установок для нефтегазовой и нефтехимической промыш­ ленности. К числу таких конструктивных решений могут быть отнесены центробежные компрессорные установки фирмы «Ингерсолл-Рэид». Они состоят из электродвигателя и центро­ бежного компрессора, агрегированных вместе и вмонтирован­ ных в цельнометаллический цилиндрический корпус.

Применение таких компрессорных установок в качестве бустерных на магистральных газопроводах увеличивает их пропускную способность, исключает необходимость сооружения капиталоемких компрессорных станций, сокращает эксплуата­ ционные расходы, что способствует существенному уменьшению себестоимости компримирования. По данным фирмы, мощность указанных компрессорных установок достигает 5000 л. с.

6

Этой же фирмой выпускаются центробежные машины, скон­ струированные по тому же принципу, но рассчитанные на более высокие давления нагнетания — от 300 до 325 кгс/см2. Эти уста­ новки применяются главным образом на промыслах для сбора, транспорта, закачки газа в пласт и газлифтной эксплуатации скважин.

Такое качественно новое и прогрессивное направление со­ временного компрессоростроения обеспечивает существенное уменьшение себестоимости компримирования и быстрый ввод в эксплуатацию установок. Выбор того или иного компрессор­ ного агрегата и установки должен осуществляться после соот­ ветствующих технико-экономических расчетов, учитывающих конкретные условия и требования нефтегазовой промышлен­ ности.

I

Г Л А В А 1

ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРНЫЕ УСТАНОВКИ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН

Все существующие компрессорные машины можно разде­ лить на два класса в соответствии с принципом осуществляемо­ го в них компримирования: компрессоры вытеснения и ком­ прессоры газодинамические.

К компрессорам вытеснения относятся собственно поршне­ вые компрессоры с возвратно-поступательным движением порш­ ня и другие разновидности машин, в которых сжатие осуще­ ствляется также по принципу вытеснения. К их числу могут быть отнесены винтовые и ротационные компрессорные ма­ шины.

Одно из важных преимуществ компрессоров вытеснения — стабильность газового потока на всех режимах работы, т. е. отсутствие помпажных зон.

Поршневые компрессоры с поступательно-возвратным дви­ жением поршня определили свое ведущее положение в промыш­ ленности как машины, способные создавать высокие и сверхвы­ сокие давления независимо от производительности.

Основным определяющим фактором производительности поршневого компрессора является средняя скорость поршня, ко­ торая по условиям необходимости обеспечения оптимальных технико-экономических показателей лежит в пределах 3,5— 5 м/с, тогда как в газодинамических компрессорах окружная скорость, являющаяся определяющим фактором их производи­ тельности, находится в пределах 300—350 м/с. Поэтому области применения рассматриваемых компрессоров по производитель­ ности и давлению сжатия могут быть разделены сравнительно просто: высокие давления сжатия создаются исключительно поршневым компрессором, а для подачи большого количества газа при относительно небольших давлениях сжатия использу­ ются центробежные и осевые компрессоры. Другие виды ком­ прессоров, работающих на принципе вытеснения, например

8