База книг в электронке для ЭНН УТЭК / 1petrov_s_v_birillo_i_n_ekspluatatsiya_i_remont_oborudovaniya

1.14. Нагнетатели природного газа. Их характеристики

Нагнетателями природных газов принято называть лопаточные компрессорные машины с соотношением давления сжатия свыше 1,1 и не имеющие специальных устройств для охлаждения газа в процессе его сжатия.

Все нагнетатели условно можно разделить на два класса: неполнонапорные (одноступенчатые) (рис. 1.34) и полнонапорные (рис. 1.35). Первые, имеющие степень сжатия в одном нагнетателе 1,25-1,27, используются при последовательной схеме компремирования газа на КС, вторые – полнонапорные, имеющие степень сжатия 1,45-1,51, используются при коллекторной схеме обвязки компрессорной станции.

Рис. 1.34. Неполнонапорный одноступенчатый нагнетатель 370-18 агрегата ГТК-10-4 производства НЗЛ:

1 – корпус; 2 – крышка; 3 – лопаточный диффузор; 4 – рабочее колесо; 5 – гильза; 6 – зубчатая муфта; 7 – клиновые прокладки; 8 – анкерные болты

Важной характеристикой нагнетателя является его производительность. Применительно к газопроводу различают объёмную Q , м3 /мин., массовую G , кг/ч и коммерческую подачу газа Qк , млн нм3 /сут. Перевод одних величин в другие осуществляется с использованием уравнения Клапейрона с поправкой на сжимаемость газа z, Pv zRT . При использовании G кг газа применяется уравнение Клапейрона-Менделеева также с использованием поправки на сжимаемость газа z, PQ GzRT , где Q – объёмная подача газа, G – массовая подача, характеризующая количество газа, протекающее в единицу времени через сечение всасывающего патрубка. Коммерческая подача Qк определяется по пара-

61

метрам состояния во всасывающем патрубке, приведённым к нормальным физическим условиям (t = 20°С; P = 0,101 МПа). Для определения коммерческой подачи используется уравнение Клапейрона для «стандартных» условий:

P0v0 RT0 ; Qк G / 0 , 0 P0 / RT0 .

Характеристики ряда типов центробежных нагнетателей, используемых на газопроводах, приведены в табл. 1.2

Рис. 1.35. Полнонапорный двухступенчатый нагнетатель НЦ-16/76 агрегата ГПА У16 производства АО «СМПО им. Фрунзе»:

1 – опорный подшипник; 2 – крышка; 3 – корпус; 4 – внутренний корпус; 5 – ротор; 6 – крышка; 7 – уплотнение; 8 – упорно-упорный подшипник; 9 – блок масляных насосов; 10 – думмис; 11 – улитка; 12 – обратный направляющий аппарат

Каждый тип нагнетателя характеризуется своей характеристикой, которая строится при его натурных испытаниях. Под характеристикой нагнетателей

го расхода газа Qпр. . Строятся такие характеристики для заданного значения газовой постоянной Rпр. , коэффициента сжимаемости zпр. , показателя адиабаты, принятой расчётной температуры газа на входе в нагнетатель Tв в принятом диапазоне изменения приведённой относительной частоты вращения (n / n0 )пр. .

Типовая характеристика нагнетателя типа 370-18-1 приведена на рис. 1.36. Характеристики других типов имеют такой же вид, как для неполнонапорных, так и для полнонапорных нагнетателей.

62

Рис. 1.36. Приведённые характеристики нагнетателя 370-18-1

при Tн пр = 288К; zпр = 0,9; Rпр = 490 Дж/(кг·К)

Пользуются характеристиками следующим образом. Зная фактические значения величин R, z,Tв,n для данных условий, по соотношению (2.3), определяют приведённую относительную частоту вращения нагнетателя (n / n0 )пр. . По известной степени сжатия находят приведённый объёмный расход газа Qпр. , соотношение (2.4), азатемпо соответствующим кривым(рис. 1.36) определяют политропический КПД пол. иприведённуювнутреннююмощностьнагнетателя (Ni / п)пр

63

Таблица 1.2 – Характеристики центробежных нагнетателей для транспорта природных газов

Внутренняя мощность, потребляемая нагнетателем, определяется соотношением

В соотношениях (2.3-2.5) индексом «О» отмечен номинальный режим работы нагнетателя; индексом «в» – отмечены параметры на входе в нагнетатель. Плотность газа при всасывании, кг/м3 , определяется по соотношению:

где Pвх,T – абсолютное давление (МПа) и температура (К) при всасывании. Мощность на муфте привода, кВт:

N Ni Nмех ,

где Nмех – механические потери, для газотурбинного привода Nмех = 100 кВт,

для электропривода Nмех = 150 кВт.

Расчётный рабочий расход газа Qпр для нагнетателей должен быть при-

мерно на 10-12% больше крайних левых значений расхода, соответствующего условиям начала срыва потока газа по нагнетателю (зоне помпажа). На рис. 1.36 этому соответствует подача газа ~360 м3 /мин.

64

Наличие надёжных приведённых характеристик при эксплуатации газотурбинного привода позволяет обслуживающему персоналу выбирать наилучший режим работы в зависимости от конкретных условий. Для центробежных нагнетателей с электроприводом также можно пользоваться приведёнными газодинамическими характеристиками, но только для какого-то вполне определённого значения (n / n0 )пр , так как электропривод не имеет регулируе-

мую частоту вращения.

Наличие надёжных приведённых характеристик с использованием соотношений (1.3-1.6) позволяет относительно легко определять мощность ГПА в эксплуатационных условиях.

Пример. Определить степень сжатия по нагнетателю, коэффициент полезного действия ( пол ), производительность и мощность на муфте нагнетателя

ное абсолютное давление 6,1 МПа, температура газа на входе, T = 288,2 К, газовая постоянная R = 510 Дж/кг·К.

Решение. Определение рабочих параметров нагнетателя при заданных исходных данных можно осуществить в такой последовательности:

1. Определяется относительная плотность газа по воздуху

2.В зависимости от среднего давления процесса сжатия и начальной температуры газа при найденной относительной плотности газа по воздуху по номограмме (рис. 1.1) определяется коэффициент сжимаемости газа, z = 0,9.

3.По уравнению состояния реального газа ( Pv zRT ) определяется его плотность на входе в нагнетатель

4. Определяется степень сжатия по нагнетателю

Pк 6,1 1,22 . Pн 5,0

5.Определяется приведённая относительная частота вращения вала

нагнетателя

6. С использованием приведённой характеристики нагнетателя (рис. 1.36) при найденных значениях = 1,22 и приведённой частоте вращения вала нагнетателя (n / n0 )пр. = 0,96 определяется приведённая объёмная производительность:

Qпр. = 480 м3 мин.

7. Приведённая относительная внутренняя мощность, потребляемая нагнетателем и его политропический КПД при Qпр. = 480 м3 / мин по характеристике рис. 1.36 составят:

8. Фактическая производительность нагнетателя составит:

Объёмный, или «коммерческий» расход, приведённый к стандартным условиям, определяется соотношением

0 воз. = 1,206·0,56 = 0,675 кг/м3 .

9.Внутренняя мощность, потребляемая нагнетателем

10. Мощность на муфте привода нагнетателя

Nс Ni Nмех. = 8098 + 100 = 8198 кВт,

где Nмех. – механические потери мощности в системе ГПА, принимаемые в расчётах для этого типа агрегатов на уровне 100 кВт [2].

66

2 ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

СГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ

2.1.Организация эксплуатации цехов с газотурбинным приводом

Под понятием «техническая эксплуатация ГПА» понимается выполнение комплекса технических и организационных мероприятий, обеспечивающих эффективное использование и длительное поддержание на высоком техническом уровне состояния газоперекачивающего и вспомогательного оборудования компрессорных станций. Это значит, что план транспорта газа при эксплуатации газоперекачивающего оборудования необходимо выполнить с минимальными расходами топливного газа и смазочного масла, отсутствием вынужденных и аварийных остановок ГПА и обеспечением номинальной загрузки агрегатов.

Высокий уровень эксплуатации ГПА достигается прежде всего выполнением следующих основных положений:

-точным и неукоснительным знанием и выполнением эксплуатационным персоналом КС инструкций заводов-изготовителей, «Правил технической эксплуатации магистральных газопроводов» и других нормативных документов, действующих в системе ОАО «Газпром»;

-соблюдением и выполнением установленных сроков проведения плано- во-предупредительных ремонтов (ППР) основного и вспомогательного оборудования, а также своевременным выполнением профилактических остановок компрессорных цехов;

-организацией работ по повышению надёжности и эффективности работы газоперекачивающего и вспомогательного оборудования, а при необходимости и выполнения работ по реконструкции и техническому перевооружению компрессорной станции;

-создание условий для безопасной и безаварийной работы обслуживающего персонала.

Для обеспечения качественного уровня эксплуатации ГПА необходим постоянный и надёжный контроль за его работоспособностью как функционирования ГПА в целом, так и отдельных его элементов в соответствии с техническими условиями на всех режимах работы. Контроль проводится эксплуатационным персоналом по показателям, объём и точность измерений которых должны быть достаточными для обоснованного вывода о соответствии фактических показателей агрегата нормативным. В соответствии с этим эксплуатационный (дежурный) пер-

67

сонал КС обязан поддерживать заданный оптимальный режим работы ГПА, осуществлять контроль и периодическую регистрацию эксплуатационных параметров, анализировать их отклонение от нормальных величин, принимать меры по предупреждениюопасныхрежимовработы.

Организация эксплуатации осуществляется целым рядом эксплуатационных служб, входящих в состав линейных управлений. Среди них основными являются службы:

-газокомпрессорная, обеспечивающая организацию эксплуатации механической части основного технологического оборудования и трубных обвязок КС, а такжевсеговспомогательногооборудования, участвующеговтранспортегаза;

-энерговодоснабжения, обеспечивающая эксплуатацию электротехнического оборудования КС, а также систем: тепловодоснабжения и промышленной канализации;

-контрольно-измерительных приборов и АСУ, обеспечивающая эксплуатацию средств автоматизации основного и вспомогательного оборудования КС

ителемеханики.

Производственные задачи, права и обязанности инженерно-технических работников этих служб определяются положениями и должностными инструкциями. Непосредственное управление и контроль за режимом работы КС осуществляется сменным персоналом и центральной диспетчерской службой (ЦДС) объединения.

Для обеспечения нормальной эксплуатации должны быть обязательно выполнены следующие условия:

-к эксплуатации ГПА должен допускаться только персонал, прошедший специальное обучение, сдавший экзамен и получивший разрешение на самостоятельную работу;

-эксплуатационный персонал должен быть обеспечен необходимой технической документацией: инструкциями заводов-изготовителей, проектноисполнительной документацией, соответствующими инструкциями по обслуживанию оборудования КС, в которые своевременно должны вноситься изменения и дополнения;

-эксплуатационный персонал должен быть обеспечен необходимыми оборотными средствами и запасными частями и приспособлениями (ЗИП) для поддержания оборудования в соответствии с техническими условиями (ТУ) за- водов-изготовителей [2].

68

2.2. Схемы и принцип работы газотурбинных установок

Термин турбина происходит от латинского слова turbineus – вихреобразный, или turbo – волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу силовой турбины получается за счёт преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциальной энергии – энергии сгоревшего топлива, подведённого

ккамере сгорания, в поток воздуха.

Воснове современных представлений о превращении теплоты в работу в двигателях внутреннего сгорания лежат два важнейших положения термодинамики: во-первых, невозможность создания вечного двигателя первого рода, т. е. такого двигателя, который без затраты какой-либо энергии может производить механическую работу (следствие первого начала термодинамики) и, во-вторых, невозможность создания вечного двигателя второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики).

Поэтому непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды – рабочего тела и, по меньшей мере, двух тепловых источников: источника высокой температуры (нагреватель), от которого получают теплоту для преобразования части её в работу, и источника низкой температуры, которому отдаётся часть неиспользованной в двигателе теплоты.

Следовательно, каждый двигатель внутреннего сгорания должен состоять из нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрессорной машины. Так как процесс превращения теплоты в работу происходит непрерывно, то необходимо непрерывно, наряду с расширением, осуществлять процесс сжатия рабочего тела, причём при таких условиях, чтобы работа сжатия была естественно меньше работы расширения. Получаемая полезная работа определяется как разность работ расширения и сжатия рабочего тела.

Характерной особенностью осуществления круговых процессов в газотурбинных двигателях является то, что все основные процессы цикла – сжатие, подвод теплоты, расширение – непрерывно осуществляются в различных элементах двигателя (компрессор, камера сгорания, газовая турбина), расположенных последовательно по ходу рабочего тела.

Взависимости от способов подвода теплоты к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения рабочего тела газотурбинные установки могут быть выполнены по различным схемам (рис. 2.1). ГТУ простейшего цик-

69

ла в механическом отношении могут быть выполнены как одновальные (рис. 2.1, а), так и двухвальные (рис. 2.1, б).

Водновальных установках все элементы газоперекачивающего агрегата (ГПА) – осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель находятся на одном валу, что естественно приводит к тому, что при работе все они имеют одну и ту же частоту вращения. Различный закон изменения характеристик газопровода и одновальной ГТУ приводит к тому, что при снижении частоты вращения, одновальная ГТУ быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ будет обеспечивать режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов ГТУ осуществить оптимальную работу ГПА с приводом от одновальной ГТУ без перепуска и дросселирования газа или без существенного повышения температуры газа перед ТВД будет уже трудно. Все это привело к тому, что в настоящее время одновальные ГТУ для перекачки газа на газопроводах не используются.

Вустановках с разрезным валом, или с независимой силовой турбиной, где вал полезной мощности выделен от турбокомпрессора, нет такой однозначной связи и нагнетатель может практически иметь любую частоту вращения, ему необходимую. Следовательно, у двухвальной ГТУ каждому режиму работы системы ГТУ – нагнетатель, т. е. требованию N / N0 = idem, соответствует ряд

значений n / n0 по компрессору в границах изменения температуры наружного

воздуха (при заданной температуре газов перед турбиной) или наоборот.

При постоянной частоте вращения вала осевого компрессора и переменной частоте вращения силового вала, температура перед газовой турбиной высокого давления может практически оставаться постоянной в достаточно широком диапазоне изменения частоты вращения вала силовой турбины. Это значит, что полезная мощность ГТУ будет изменяться пропорционально изменению КПД силовой турбины.

Кроме того, двухвальные ГТУ имеют несколько лучшие экономические характеристики не только на частичных нагрузках, но и на расчетной, когда одновальная установка, имея некоторый запас по мощности, на номинальной нагрузке будет обеспечивать режим работы нагнетателя ниже расчетного.

Благодаря этим особенностям, двухвальные установки с регенерацией (2.1в) и без регенерации (2.1б) теплоты отходящих газов и получили широкое распространение на газопроводах.

70