CC BY
296
УДК 622.691.4.052.012
Экспресс-способ определения показателей
энергоэффективности газоперекачивающих агрегатов
С.В. КИТАЕВ, д.т.н., доцент, проф. кафедры транспорта и хранения нефти и газа Р.Р. ФАРУХШИНА, аспирант, ассистент кафедры транспорта и хранения нефти и газа
ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: [email protected]
На собственные нужды магистрального транспорта газа расходуется около 9% добываемого газа, поэтому сокращение расходования газа на собственные нужды является актуальной задачей. При эксплуатации газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводах контроль за потреблением энергоресурсов осуществляется на основе показателей энергетической эффективности, определяемым с применением расчетных методик. В состав показателей энергоэффективности газоперекачивающих агрегатов входят коэффициент полезного действия и удельный расход топливного газа. Для удобства расчета показателей энергоэффективности в работе получен и практически обоснован экспресс-способ определения удельного расхода топливного газа по параметрам работы газоперекачивающих агрегатов, контролируемым штатной системой автоматики. Предлагаемая аналитическая зависимость может быть интегрирована в станционные системы мониторинга, нужно лишь заранее подобрать эмпирические коэффициенты для конкретного типа агрегата.
Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, показатели энергетической эффективности, коэффициент полезного действия, удельный расход топливного газа.
Природный газ является стратегическим энергетическим ресурсом, используемым в качестве топлива для бытовых и промышленных нужд. Из-за географического расположения добыча природного газа в России осуществляется в северных регионах, на значительном удалении от потребителей. Доставка газа потребителям осуществляется преимущественно по магистральным газопроводам с помощью газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом.
На собственные нужды магистрального транспорта газа расходуется около 9% добываемого газа, поэтому сокращение расходования газа на собственные нужды является актуальной задачей.
Контроль за рациональным использованием энергоресурсов при эксплуатации ГПА осуществляется на основе показателей эффективности, определяемых с применением расчетных методик.
В соответствии с [1] в состав показателей энергоэффективности ГПА входят коэффициент полезного действия (КПД) и удельный расход топливного газа.
Коэффициент полезного действия ГПА определяется по формуле
Лгпа 'е '"Лл
(1)
где пе - эффективный КПД газотурбинной установки (ГТУ); Ппол - политропный КПД центробежного нагнетателя (ЦБН).
Эффективный коэффициент полезного действия ГТУ определяется по формуле
Пе ="
Ne
G ■ CP
^ тг
(2)
где - эффективная мощность на валу привода;
- расход топливного газа; ЯМ - низшая теплота сгорания.
Удельный расход топливного газа ГПА с газотурбинным приводом вычисляется по формуле
ЕгтИу =—3600 м3/кВт-ч.
(3)
"Лгпа • Яр
Для применения расчетных методик часто бывает недостаточно параметров, регистрируемых штатной системой автоматики агрегата, например, для расчета эффективной мощности ГТУ (Ые) существует семь методик: по степени расширения в турбине; по степени сжатия в компрессоре; по параметрам газа в нагнетателе; по расходу
циклового воздуха через компрессор; по характеристикам нагнетателя; по косвенным параметрам; по расходу топливного газа [2].
В работе [3] производится анализ возможности применения перечисленных методик для ГТУ различных типов по набору контролируемых параметров работы агрегатов и предложен альтернативный метод с использованием в численном виде линеаризованных зависимостей рабочих процессов ГТУ.
Метод предусматривает использование ряда базовых параметров в модели, при отсутствии одного из параметров расчет также произвести не удастся. Не на всех типах ГТУ контролируется расход топливного и компримируемого газа, и тогда достоверный расчет эффективной мощности на муфте привода становится затруднительным.
В настоящее время разработаны и иногда применяются датчики крутящего момента для прямого измерения эффективной мощности ГТУ. Датчик момента представляет собой устройство для измерения и регистрации крутящего момента на вращающихся частях различных систем. Основой датчика момента является тензодатчик, наклеенный на вращающийся вал ГТУ (рис. 1).
Высокая частота вращения вала и необходимость автономности работы датчика обуславливает бесконтактный способ действия. На рис. 2 приведен внешний вид силового вала ГПА-16р «Урал», оснащенного датчиком крутящего момента.
Для ОАО «Газпром» первые измерители были изготовлены для широко используемых на компрессорных станциях агрегатов ГТК-10-4. Но парк агрегатов, эксплуатируемых на компрессорных станциях (КС), превышает 60 типов, а трансмиссий к ним еще больше, поэтому датчики крутящего момента для прямого измерения эффективной мощности пока еще не нашли широкого применения.
Целью данной работы являлась разработка способа расчета показателей эффективности ГПА в условиях доступного или ограниченного объема параметров, контролируемых штатной системой автоматики.
В настоящее время КС оснащены компьютерными системами мониторинга, которые способны производить измерения, запись и хранение информации о текущих физических параметрах работы агрегатов КС. Параметры х1 записываются в виде временных рядов с равным интервалом Дt между измерениями.
Рис. 1. Устройство датчика крутящего момента
Рис. 2. Внешний вид силового вала ГПА-16р «Урал» с датчиком крутящего момента
Рассмотрим возможность применения метода линейного программирования для моделирования удельного расхода топливного газа. Теоретические основы метода линейного программирования приведены в [4], применение метода линейного программирования в задачах трубопроводного транспорта природного газа рассматривается в [5]. Для обоснования способа использовались данные промышленной эксплуатации ГПА-12р «Урал».
С применением теоретических основ метода линейного программирования зависимость удельного расхода топливного газа от параметров работы ГПА представляется в виде
ЕТР) = А Ахг, /=1
(4)
где х1 - параметры работы ГПА: Х1 - давление масла на входе в ГТУ, Па;
х2 - средняя температура за газогенератором (ГГ), °С;
х3 - температура газа на выходе из нагнетателя, °С;
х4 - давление газа на выходе из нагнетателя, Па;
х5 - частота вращения ротора силовой турбины (СТ), об/мин;
х6 - частота вращения ГГ, об/мин;
х7 - давление воздуха за компрессором, Па;
х8 - температура газа за СТ, °С;
Таблица 1
Значения эмпирических коэффициентов At
A0 A1 A2 A3 A4 A5
0,7643279 0,960703 0,000168 -0,006976 -0,019386 0,0001334
A6 A7 A8 A9 A10
-0,000109 0,1088183 0,00087 -0,65786 0,7852259
хд - степень повышения давления в нагнетателе; ^
9 С10
X(Егт7 -Егт%))2 ^ min,
i=1
0,60
CD
g „ 0,55 я ? S EH
чм 0,50
в и
О \ ни
ч S 0,45
о _т
- давление масла смазки нагнетателя, Па.
Выбранные параметры xf имеют наибольшую корреляционную взаимосвязь с удельным расходом топливного газа Eт , предварительно рассчитанным по параметрам газа в нагнетателе.
Коэффициенты At зависят от типа ГПА и определяются индивидуально. В табл. 1 приведены эмпирические коэффициенты зависимости формулы (4) для агрегата ГПА-12Р «Урал».
Подбор коэффициентов производился с помощью функции «Поиск решения» в электронных таблицах Excel минимизацией функции сред-неквадратического отклонения:
cd й ft ^
Ч ¡>>
0,40 0,35 0,30
/5» =V\ Ы он N t s А, п « 1
л/ п V А
\ «V/
- Расчет по параметрам газа в нагнетателе - Расчет по параметрам ГПА V
0
20 40 60
Номер измерения
80
Рис. 3. Динамика изменения зависимости удельного расхода топливного газа для ГПА
(5)
где п - объем выборки.
На рис. 3 представлены зависимости, определенные по параметрам газа в нагнетателе и по параметрам ГПА (предлагаемая модель).
Как видно из рис. 3, характеристика, полученная с использованием параметров работы ГПА, хорошо соотносится с характеристикой удельного расхода топливного газа, рассчитанной по параметрам газа в нагнетателе, средняя квадра-тическая погрешность составляет 1,5%. Рассмотрим достоверность расчета по данным после месяца эксплуатации ГПА (рис. 4).
Из рис. 4 следует, что средняя квадратическая погрешность составила 4,2%. Вариация удельного расхода топливного газа связана с изменением режима работы агрегата и технического состояния проточной части ГТУ в динамике.
0,60
о
и 0,55 я F К ЁН
ЧМ 0,50
в у
ч Ъ 0,45 о,
И й
§ § 0,40 ft ^
ч ¡>>
Л -N V j
А А Л г
1 V А 3L
2 - Расчет по параметрам газа в нагнетателе - Расчет по параметрам ГПА
0,35 0,30
0 20 40 60 80
Номер измерения
Рис. 4. Динамика изменения зависимости удельного расхода топливного газа для ГПА после месяца эксплуатации
Таким образом, проведенные исследования позволили получить и практически обосновать экспресс-способ определения удельного расхода топливного газа по параметрам ГПА, контролируемым штатной системой автоматики.
Аналитическая зависимость может быть интегрирована в станционные системы мониторинга, нужно лишь заранее подобрать эмпирические коэффициенты для определенного типа ГПА.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СТО Газпром 2-3.5-113-2007. Методика оценки энергоэффективности газотранспортных объектов и систем. - М.: ООО «Информационно-рекламный центр газовой промышленности», 2007. 55 с.
2. Методические указания по определению мощности и оценке технического состояния проточной части газоперекачивающих агрегатов с турбоприводом. -М.: Союзоргэнергогаз, 1983. 58 с.
3. Вертепов А.Г. Методическая унификация расчетов выходных показателей ГТУ/ А.Г. Вертепов,
А.А. Вертепов, В.В. Чиненов// Газовая промышленность. № 3.2010. С.56-59.
4. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология/ Е.С. Вентцель. М.: Дрофа, 2004. 208 с.
5. Смородов Е.А. Методы расчета коэффициентов технического состояния ГПА/ Е.А. Смородов, С.В. Китаев // Газовая промышленность. № 5. 2000. С.29-31.
RAPID METHOD FOR DETERMINING PARAMETERS ENERGY EFFICIENCY GAS COMPRESSOR UNIT
Kitaev S.V., Dr. Sci. (Tech.), Prof., docent of Department of Transport and Storage of Oil and Gas Faruhshina R.R., postgraduate student, assistant of Department of Transport and Storage of Oil and Gas Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Russia) E-mail: [email protected]
ABSTRACT
On their own needs gas trunk line spent about nine percent of the produced gas, there-fore reducing gas consumption for own needs is an urgent task. When using the gas pumping units on gas pipelines on gas pipelines control of energy consumption is based on energy efficiency indicators identified using computational methods. The structure of the energy efficiency of gas compressor units are efficiency and specific consumption of fuel gas. For ease of calculation of energy efficiency in the work produced virtually grounded rapid method of determining the specific consumption of fuel gas in the parameters of the work of gas pumping units controlled standard automation system. The proposed analytical dependence can be integrated into the station monitoring system to choose whether to advance empirical coefficients for a particular type of unit. Keywords: gas pumping units, energy efficiency indicators, efficiency, specific consumption of fuel gas.
REFERENCES
1. STO Gazprom 2-3.5-113-2007. Metodika otsenki energoeffektivnosti gazotransportnyih ob'ektov i sistem. Moscow, Informatsionno-reklamnyiy tsentr gazovoy promyishlennosti Publ., 2007. 55 p. (in Russian)
2. Metodicheskie ukazaniya po opredeleniyu moschnosti i otsenke tehnicheskogo sostoyaniya protochnoy chasti gazoperekachivayuschih agregatov s turboprivodom. Moscow, Soyuzorgenergogaz Publ., 1983. 58 p. (in Russian)
3. Vertepov A.G., Vertepov A.A., Chinenov V.V. Metodicheskaya unifikatsiya raschetov vyihodnyih pokazateley GTU. Gazovaya promyishlennost. no. 3. 2010. P. 56-59. (in Russian)
4. Venttsel E.S. Issledovanie operatsiy: zadachi, printsipyi, metodologiya. E.S. Venttsel. M.: Drofa, 2004. 208 p. (in Russian)
5. Smorodov E.A., Kitaev S.V. Metodyi rascheta koeffitsientov tehnicheskogo so-stoyaniya GPA. Gazovaya promyishlennost. no. 5. 2000. P. 29-31. (in Russian)
