CC BY
157
УДК 621.512
Т. С. Дегтярева, О. В. Шершнев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА С ПЕРЕПУСКНЫМИ КАНАЛАМИ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ГАЗА ИЗ РЕМОНТИРУЕМОГО ГАЗОПРОВОДА
Обоснована необходимость откачки газа из ремонтируемого участка газопровода. Рассмотрены существующие методы откачки. Для уменьшения времени откачки предложено использовать поршневой компрессор с перепускными каналами на зеркале цилиндра.
E-mail: aiv@bmstu.ru
Ключевые слова: поршневой компрессор, компрессор с перепуском, перепускной канал, газопровод, откачка газа.
В настоящее время предприятиями ОАО "Газпром" добывается, перерабатывается и поставляется потребителям более 540 млрд м3 газа в год. Весь газ, добываемый в Российской Федерации, поступает в Единую систему газоснабжения (ЕСГ), представляющую собой крупнейшую в мире разветвленную сеть магистральных газопроводов, обеспечивающую непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя. Протяженность магистральных газопроводов ЕСГ составляет 155 тыс. км [1].
По состоянию на 31 декабря 2009 г. средний срок эксплуатации магистральных газопроводов составляет 28 лет, а изношенность всей трубопроводной системы — более 60%. Уже сегодня магистральные газопроводы, расположенные севернее полярного круга, позволяют прокачивать лишь 40 % проектных мощностей и требуют срочного капремонта [1].
Выполнение ремонтно-восстановительных и профилактических работ на отдельных участках систем магистральных газопроводов, как правило, связано с отключением этих участков, закрытием на них ближайших линейных кранов с последующим опорожнением участков от газа посредством сброса его в атмосферу через продувочные свечи. Удаление газа из газопровода продиктовано требованиями техники безопасности при проведении огневых работ. Отвод газа из подлежащего ремонту участка магистрального газопровода проводится на продувную свечу. Подобный метод удаления газа не только неэкономичен, но и связан с негативными последствиями горения такого количества газа для экологии: увеличение скорости образования озоновых дыр, ухудшение общего состояния окружающей среды в районе сброса газа.
Количество стравливаемого при ремонтах газа зависит от геометрических размеров участка (длины, диаметра) и параметров газа (давления, температуры) в нем в момент отключения. В наиболее широких пределах изменяется длина ремонтируемого участка — от 10 до 60 км. Это обстоятельство в значительной мере обусловливает имеющиеся существенные различия между объемами газа (от 0,2 до 6,0 млн м3), сбрасываемого при ремонтах различных участков. Так, при опорожнении участка газопровода диаметром 1420 мм и длиной 50 км с давлением газа (средним по длине) 50кгс/см2 и средней температурой 30 °С потери составят около 4млнм3 [2].
Данные, полученные при эксплуатации производственных объединений, в частности ПО "Средазтрансгаз", показывают, что потери газа, вызванные проведением ремонтно-восстановительных мероприятий (удаление свищей на трубопроводах, врезка газопроводов-отводов, замена линейных кранов и др.), составляют от 0,3 до 0,8 % общего количества транспортируемого объема, т.е. от 5 до 15 млрд р/год. Таким образом, имеются не только экологические, но и существенные финансовые потери.
В настоящее время известны методы ремонта газопроводов, позволяющие, например, проводить безогневую врезку газопроводов-отводов или устранять коррозионные повреждения труб бандажиро-ванием, не удаляя газ из газопровода. Однако технологии проведения указанных работ еще недостаточно отработаны, а область применения их ограничена узким кругом технологических задач. Более разработанными и широко применяемым являются методы ремонта газопроводов, связанные с удалением содержащегося в нем газа.
В основном для решения данной задачи в настоящее время применяется следующая схема: ремонтируемый участок с двух сторон закрывается линейными кранами, подключается устройство для перекачки и газ удаляется из ремонтируемого участка в параллельную работающую нитку газопровода. При этом из откачиваемого участка должно быть удалено такое количество газа, какое обеспечит понижение давления от 7,5 МПа в начале работы до 1,0 МПа при завершении режима откачки (рис. 1).
К технологиям, применяемым для откачки трубопроводов, предъявляются два основных требования: 1) малое время откачки — из-за больших издержек, связанных с тем, что ремонтируемый трубопровод не эксплуатируется (для трубопровода диаметром 1440 мм, протяженностью 30 км с начальным давлением 7,5 МПа и конечным 1,0 МПа, время откачки должно составлять не более 100 ч); 2) высокая мобильность оборудования, что связано с необходимостью его применения на различных участках трубопроводов (габаритные размеры оборудования должны обеспечивать его проезд по дорогам с асфальтовым и гравийным покрытиями).
Рис. 1. Принципиальная схема откачки выводимого в ремонт участка газопровода (КУ — компрессорная установка)
В настоящее время проблема откачки газа из ремонтируемого участка трубопровода решается следующими методами [2].
1. Применение эжекторной схемы откачки трубопроводов. Из-за своей специфичности откачка газа из трубопровода при низких давлениях связана с необходимостью обеспечения большого количества газа высокого давления, что негативно сказывается на режиме работы действующего трубопровода. Существенным достоинством эжекторной схемы является возможность обеспечения более глубокой откачки, однако для решения данной задачи, такое преимущество не является решающим.
2. Применение центробежных компрессорных установок. Такой метод откачки не столь эффективен ввиду того, что при работе степень повышения давления компрессорной установки меняется с 1,0 до 7,5, что не позволяет обеспечить стабильную работу одной установки во всем диапазоне входных давлений.
3. Применение поршневых компрессорных установок. Это наиболее распространенный метод удаления газа из ремонтируемого трубопровода. В настоящее время для увеличения производительности установок используются схемы с подключением второй ступени сжатия при низких давлениях в откачиваемом трубопроводе. Однако время, затрачиваемое на откачку трубопровода, все еще не доведено до нормативного — 100 ч.
В целях уменьшения времени откачки трубопровода предлагается рассмотреть возможность откачки с помощью компрессора с перепуском газа через каналы, расположенные на зеркале цилиндра [3]. В этом случае после перепуска давление газа в мертвом объеме снизится, следовательно, уменьшится продолжительность процесса обратного расширения, соответственно увеличится продолжительность всасывания и повысится производительность компрессора, что, в свою очередь, повлечет за собой уменьшение времени откачки опорожняемого участка.
Цилиндр компрессора с перепуском отличается от простого цилиндра двойного действия тем, что на его зеркале выполнены каналы для перепуска газа из одной полости в другую. Схематично каналы показаны на рис. 2,3. Каналы выполнены для того, чтобы после окончания
процесса нагнетания перепустить часть газа из мертвого пространства в другую полость, в которой уже закончился процесс всасывания. Перепускные каналы рассчитываются и подбираются так, чтобы давления в левой и правой полостях выравнялись в тот момент, когда поршень закрывает перепускной канал. В теоретическом поршневом компрессоре, чтобы началось всасывание, газ, оставшийся в мертвом объеме, должен расшириться до давления всасывания. Поэтому чем больше степень сжатия, тем больше хода поршня тратится на расширение газа из мертвого пространства и меньше — на всасывание. В процессе нагнетания поршень на подходе к мертвой точке открывает перепускные каналы. Через образовавшееся сечение газ перетекает из полости с большим давлением в полость с меньшим давлением. Таким образом, когда поршень закроет канал на обратном ходу, давление в мертвом объеме будет равно некоторому давлению выравнивания, значительно меньшему, чем давление нагнетания. Это значит, что на обратном цикле поршню понадобится меньший ход для расширения
Рис.4. Вид индикторных диаграмм Рис.5. Вид индикторных диаграмм одноступенчатого компрессора в за- традиционного одноступенчатого ком-висимости от степени повышения прессора и компрессора с перепуском давления
до давления всасывания и большая часть хода придется на всасывание. На рис. 4 показано, насколько зависит продолжительность всасывания от степени повышения давления в цилиндре.
На рис. 5 показано отличие продолжительности всасывания у компрессора с перепуском от продолжительности всасывания обычного компрессора. Из индикаторной диаграммы следует, что мощность компрессора с перепуском больше, чем удельная мощность компрессора без перепуска, поэтому такие компрессоры не нашли применения в промышленности. Для решения данной задачи вопрос о затрачиваемой мощности не столь существен, поскольку приводом для откачивающей компрессорной установки является газопоршневой двигатель, топливом для которого служит газ, забираемый из откачиваемой трубы. Ограничение, накладываемое составителями технического задания, заключается в том, что потребляемая мощность компрессорной установки не должна превышать 2 450 кВт.
Из индикаторных диаграмм следует, что компрессор с перепуском при высокой степени сжатия имеет большую производительность, чем простой компрессор. В условиях ограниченного числа установок желательно, чтобы компрессор мог сжимать газ при наибольшей разности давлений всасывания и нагнетания в одной ступени, поскольку чем меньше цилиндров используется для сжатия газа в качестве вторых ступеней, тем больше производительность компрессора, которая определяется производительностью первой ступени.
Для определения перспективности дальнейшей работы в этом направлении были проведены предварительные исследования, связанные со сравнением времени откачки при использовании компрессора с перепуском и традиционных одно- и двухступенчатых компрессоров.
Исследования, проведенные на простейших моделях [4], показали, что время откачки компрессором с перепуском на 18 % меньше, чем
время откачки одноступенчатым компрессором и на 11 % меньше, чем время откачки двухступенчатым компрессором.
Полученные результаты указывают на перспективность исследований, проводимых в данном направлении, а расчетный выигрыш во времени откачки свидетельствует о том, что применение компрессоров с перепуском оправдано для решения данной задачи, поскольку обеспечивает существенное преимущество по сравнению с применяемыми в настоящий момент технологиями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Интернет ресурс Официальный сайт ОАО "Газпром". www.gazprom.ru
2. Мужиливский П. М., Васильев Ю. Н. Экономия природного газа при ремонтах магистральных газопроводов: Обзор. Информ.; Сер. Использование газа в народном хозяйстве. - М., 1984.
3. Григоров В. П. Исследование органов перепуска в поршневых вакуум-компрессорах: Дис.... канд. тех. наук. - М., 1970. - 243 с.
4. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. Т. 1. Теория и расчет. - М.: Изд-во "КолосС", 2000. - 456 с.
Статья поступила в редакцию 15.06.2011
