CC BY
74ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
УДК 621.45.02
А.Ю. Федосеев1, e-mail: artemyfed@yandex.ru; А.Ф. Калинин2, e-mail: kalinine.a@gubkin.ru
1 ООО «Газпром трансгаз Москва» (Курская обл., Россия).
2 ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Определение оптимальной периодичности промывки проточной части осевых компрессоров газотурбинных двигателей
Очистка проточной части осевого компрессора в настоящее время является основным способом поддержания технического состояния газотурбинного двигателя в межремонтный период. Правильная оценка влияния эффективности промывки на эксплуатационные расходы позволит организациям, эксплуатирующим газоперекачивающие агрегаты, оптимизировать график промывок с учетом наработки и допустимых издержек. Установлено, что существующие методики оценки очисток проточной части осевых компрессоров газотурбинных двигателей в режиме холодной прокрутки не дают достоверных результатов, получаемых в реальных условиях эксплуатации. Авторами в статье на основании ранее выявленных закономерностей изменения коэффициента технического состояния газотурбинного двигателя по расходу топливного газа предложен критерий экономической оценки эффективности промывки проточной части осевого компрессора газотурбинного двигателя в режиме холодной прокрутки. Коэффициент эффективности определяется как разность стоимости сэкономленного топливного газа и денежных затрат на проведение данных работ за расчетный период, складываемых из стоимости моющих средств и затрат на дополнительный расход топливного и пускового газа в процессе проведения промывок. Получено соотношение для определения сэкономленных денежных средств в результате выполнения указанных мероприятий. С помощью предложенного соотношения для газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16 в реальных условиях эксплуатации и предложенных условиях однозначности найден примерный экономический эффект, получаемый при различной периодичности выполнения промывок проточной части осевого компрессора газотурбинного двигателя. Дано обоснованное заключение по выбору оптимального интервала между промывками с учетом получения максимального экономического эффекта и минимальных трудовых и материальных затрат.
Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, газотурбинный двигатель, оценка экономического эффекта от промывок осевого компрессора газотурбинного двигателя, оптимальная периодичность выполнения промывок.
A.Yu. Fedoseev1, e-mail: artemyfed@yandex.ru; A.F. Kalinin2, e-mail: kalinine.a@gubkin.ru
1 Gazprom transgaz Moscow LLC (the Kursk Region, Russia).
2 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)» (Moscow, Russia).
The Optimal Cleaning Frequency Determination For The Air-Gas Channel Of The Axial-Flow Compressors Of A Gas Turbine Engines
Currently the air-gas channel cleaning for the axial-flow compressor is the main method to maintain the technical state of the gas turbine engine during the overhaul period. The right evaluation of the effectiveness of the air-gas channel cleaning allows the companies exploiting gas turbine engines to optimize cleaning schedule taking into account the operation time and allowable expenses. It was found that the existing methods for evaluation of the effectiveness of the air-gas channel cleaning for a gas turbine engine in dry motoring regime do not give reliable results that are obtained during actual operation. Based on the previously identified patterns of changes in the technical state parameter of the gas turbine engine and the fuel gas flow, the authors of the article provide the criterion of the economic evaluation of the effectiveness of the air-gas channel cleaning for a gas turbine engine in dry motoring regime. The coefficient of effectiveness is determined as the difference between the cost of the saved fuel gas and the cost of cleaning operations during the settling period, that consists of the cost for washing agent and the cost for additional fuel and starting gas consumption needed during the cleaning process. The relationship to determine the money savings as a result of these cleaning operations was obtained. Using the proposed relationship an approximate economic effect for the gas turbine engine unit GPA-C-16 was
108
№ 1-2 февраль 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
determined for different air-gas channel cleaning frequency based on the actual operating conditions and the average parameters of the unit. The reasonable conclusion for choosing the optimal period between cleaning operations is given taking into account the possibility for maximum economic effect and minimal labor and material costs.
Keywords: gas-compressor unit, gas turbine engine, economic effect evaluation for the air-gas channel cleaning of the axial-flow compressor of a gas turbine engine, optimal cleaning frequency.
Одной из причин снижения энергетической эффективности работы газотурбинных установок (ГТУ) - основного вида энергопривода газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на компрессорных станциях является загрязнение проточной части осевого компрессора (ОК) газотурбинного двигателя (ГТД). Промывка проточной части осевых компрессоров ГТД является одной из самых эффективных и обязательных процедур для поддержания технического состояния газотурбинных установок на всем протяжении их эксплуатации. Анализ рекомендуемой методики по определению планируемой экономии топливного газа ГПА за счет проведения промывок проточной части ОК ГТД показал, что ее использование для оценки эффективности данных мероприятий может привести к искажению оценки эффективности промывок [2, 3]. На основании обнаруженных закономерностей изменения коэффициента технического состояния ГТУ по расходу топливного газа в качестве критерия оценки качества проведения промывок проточной части ОК ГТД был предложен коэффициент эффективности промывок Кэп (%) (рис. 1) [3]:
2 A J
. 1
\f> b;
F
1,09
1.05 1,07
1.06 1,05 1,04
130 ООО 132 ООО 134 ООО 136 ООО 138 00« 140 ООО 142 ООО
Наработка ГПА, ч Elaboration of GPU, hour
- результаты обработки характеристик теплотехнических испытаний ГПА до и после промывок, а также между промывками
The results of the characteristics processing of thermal tests of GPU before and after cleaning and between cleaning operations ■ - аппроксимация результатов теплотехнических испытаний ГПА после промывок (1) и между промывками на ХП (2)
Approximation of the results of thermal tests of GPU after cleaning (1) and between cleaning operations in off-line washing (2)
Рис. 1. Зависимость значений коэффициента технического состояния ГТУ по расходу топливного газа КТГ от наработки для ГПА-Ц-16 с ГТД НК-16СТ
Fig. 1. The dependence of the coefficient values of the technical condition of gas turbine unit (GTU) at the consumption of fuel gas (КТГ) from the elaboration of gas-compressor unit ГПА-Ц-16 with a gas turbine engine
К — к
I/ _ ТГ(до пр) ТГ(пос пр) 1ПП
эп "мГчс-^Т , (1)
^ТГ 'ТТ(тсГТУ)/ 1МП
где Ктг, , и Ктг, , - значения коэф-
" ТГ(до пр) ТГ(пос пр) ~
фициента технического состояния (КТС) ГТУ по расходу топливного газа до и после промывки проточной части ОК ГТД, полученные в результате обработки теплотехнических испытаний ГПА; кТГ = tg(a) - коэффициент наклона зависимости КТС ГТУ по расходу топливного газа от времени между промывками ОК, час-1; к^ гту) = tg(P) - коэффициент на-
клона зависимости изменения КТС ГТУ по расходу топливного газа от времени по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК, ч-1; тМП - наработка ГПА от предыдущей промывки, ч. При этом ставится задача разработки методики определения экономического эффекта от проведения промывок осевых компрессоров газотурбинных двигателей на холодной прокрутке (ХП) СЭФ и расчета их оптимальной периодичности тмп, ..
МП(опт)
Экономический эффект в зависимости от периодических промывок осевого компрессора ГТД СЭФ можно определить как разность стоимости сэкономленного топливного газа ДСТГ за расчетный период времени и денежных затрат
на проведение данных работ, которые состоят из стоимости моющих средств СМС и затрат на дополнительный расход топливного и пускового газа в процессе проведения промывок СЗАТ
С
: ДСтг - (СМС + СЗАТ
(2)
Для расчета объема топливного газа, сэкономленного в результате промывок проточной части ОК ГТД, можно воспользоваться схемой, изображенной на рис. 2.
Снижение энергетических затрат в денежном выражении за счет экономии топливного газа в результате промывок ОК ГТД может быть рассчитано как произведение цены топливного газа цТГ
Ссылка для цитирования (for citation):
Федосеев А.Ю., Калинин А.Ф. Определение оптимальной периодичности промывки проточной части осевых компрессоров газотурбинных двигателей // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 1-2. С. 108-112.
Fedoseev A.Yu., Kalinin A.F. The Optimal Cleaning Frequency Determination For The Air-Gas Channel Of The Axial-Flow Compressors Of A Gas Turbine Engines. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 1-2, P. 108-112. (In Russian)
К
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 1-2 february 2017
109
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
¡.Об
I.V-I
¡.02
¡.00
1 А ш
\ \ щ 1 Ш Ш
Ж1Г \ >ш Щ ш \ 1
I
1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 |
2тш
3т„,
t, ч
■ - изменение значения КТГ при условии отсутствия промывок проточной части ОК (1)
Changing the (КТГ) value in terms of lack of cleaning of the flow path of the axial compressor (AC) (1)
■ - изменение значения КТГ по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК (2) Changing the КТГ value due to the reasons not related to pollution flowing part of the AC (2)
■ - изменение значения КТГ при проведении промывки проточной части ОК с периодичностью тМП (3) Changing the КТГ value when conducting cleaning of the flow part AC with a periodicity of тМП (3)
Рис. 2. Расчетная схема изменения значения коэффициента технического состояния ГТУ по расходу топливного газа КТГ при промывке проточной части осевого компрессора с периодичностью тМП Fig. 2. The design scheme of changing the value of the coefficient of technical condition of by the fuel gas consumption (КТГ) with cleaning of the flow path of the axial compressor with a frequency тМП
на снижение расхода топливного газа ДВТГ, полученного в результате проведения п промывок за расчетный период времени Т:
дв
тг(,у
(3)
При этом снижение расхода топливного газа в результате проведения 1-й промывки Д0ТГ(1) может быть определено из соотношения
ты сгорания топливного газа, кДж/м3; тц - значение действительного эффективного КПД газотурбинной установки при идеальном техническом состоянии ГТУ, среднегодовой загрузке и среднегодовых значениях температуры и давления атмосферного воздуха в регионе эксплуатации ГПА;
Я = . Ле ,
(6)
двтг0) = втг . дк™ . (т - ^
(4)
где Т - наработка газоперекачивающего агрегата за расчетный период времени, ч; т. - наработка газоперекачивающего агрегата с начала расчетного периода до 1-й промывки проточной части ОК ГТД, ч; ДКТГ0) - снижение значения КТС ГТУ в результате 1-й промывки проточной части ОК ГТД; ВТГ - расход топливного газа при среднегодовой загрузке агрегата (м3/ч);
N
в^лТ(Г (5)
1е нр
где N - среднегодовая эффективная мощность газотурбинной установки ГГПА, кВт; 0 - значение низшей тепло-
где г|е0 - паспортное значение эффективного КПД ГТУ; гц - относительный КПД ГТУ при среднегодовом режиме работы агрегата [1]
N
(7)
N =кг
епр |У|
т
Р* Ра
(8)
атмосферного воздуха в месте работы ГПА, Т - Т + 5 [1]; Т - среднего-
вх о.с. 1 -1 о.с. г "
довое значение температуры атмосферного воздуха, К; ра0, ра - давление атмосферного воздуха при стандартных станционных условиях и среднегодовое значение атмосферного давления, мм рт. ст.; - номинальная (паспортная) мощность ГТУ в номинальном режиме работы и идеальном техническом состоянии установки, кВт. Следует отметить, что относительное снижение расхода топливного газа в результате проведения 1-й промывки может определяться как площадь параллелограмма, одна из сторон которого определяется как значение снижения коэффициента технического состояния ГТУ по топливному газу в результате 1-й промывки ОК ГТД ДКТГ0), а другая - временем наработки агрегата после проведения 1-й промывки до конца расчетного периода времени (Т - т) (рис. 2). Таким образом, графическую интерпретацию интегрального относительного снижения расхода топливного газа при проведении п промывок ОК ГТД за расчетный период времени Т можно представить как сумму площадей п заштрихованных параллелограммов (рис. 2). При этом соотношение (3) по определению снижения энергетических затрат в денежном выражении за счет экономии топливного газа в результате промывок ОК ГТД при проведении п промывок ОК ГТД за расчетный период времени Т принимает следующий вид:
ДСТГ = Цтг.ДВтг = = ЦТГВ4ДКТГ0).(Т - ^
(9)
1-0,75.(1-Мелр)
Значение приведенной относительной мощности ГТУ в рассматриваемом режиме N определяется по формуле [1]:
где Твх0 - температура воздуха на входе в осевой компрессор при стандартных станционных условиях, Твх0 = 288 К; Твх - температура воздуха на входе в осевой компрессор при среднегодовых значениях температуры и давления
Значение экономического эффекта от периодических промывок ОК ГТД СЭФ с использованием соотношений (3), (9) можно определить из выражения
СЭФ = ДСТГ - (СМС + Сзат) =
= цгг.в4дктг0).(т - - (смс + сзат). (10)
Рассмотрим в качестве примера вариант, когда очистка проточной части осевого компрессора газотурбинного двигателя производится с одинаковой периодичностью
К
ТГ
МП
110
№ 1-2 февраль 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
(T1 = T2 = Ti = ТМП =
а снижение значений КТС ГТУ по топливному газу в результате проведения каждой из промывок одинаково и с учетом соотношения (1) может быть определено по формуле
ДКТГ„ = ДКТГ = ДКТГ, ч — Кхг, ч =
ТГ(1) ТГ ТГ(до пр) ТГ(пос пр)
КЭп'(кТГ кТГ(тс ГТУ))^МП'
(11)
Таблица 1. Значения коэффициента эффективности промывок «на ХП» КЭП агрегата ГПА-Ц-16 с газотурбинным двигателем НК-16СТ
Table 1. Values of coefficient of cleaning effectiveness in off-line washing КЭП of compressor units ГПА-Ц-16 of gas turbine engine НК-16СТ
С учетом формулы (11) соотношение по определению снижения энергетических затрат в денежном выражении за счет экономии топливного газа в результате проведения п промывок ОК ГТД за расчетный период времени Т принимает следующий вид:
ЛСТГ = Мтг.Втг.АКтг(Т - Тмп + Т -- 2^мп + ... + Т - П^МП) =
= цтГ.ВТГ.КЭП.(кТГ - кТГ(тс ГТУ^^.
^^мп - *мп"^п) = ^Лг
^П^Г - "<ТГ(тс ГТУ)КмП^ - 1). (12)
Используя соотношение (12), выражение по определению экономического эффекта от периодических промывок ОК ГТД (10) можно представить следующим образом:
СЭФ = цтг.ВТГ.КЭП.(кТГ - кТГ(тс ГТУ)).
-2Л.(п - 1) - (сМС + сзат). (13)
С помощью выражения (13) можно определить экономический эффект при различной периодичности промывок проточной части ОК ГТД и на основе полученных результатов провести обоснованный выбор оптимальной их периодичности для выбранного типа ГТД в реальных условиях эксплуатации. В качестве примера определялись значения экономического эффекта при различной периодичности промывок проточной части ОК ГТД НК-16СТ в составе агрегата ГПА-Ц-16 и оптимальная периодичность их проведения. Харак-
№ к ТГ(до пр) КТГ вefore cleaning К ■V (пос пр) КТГ after cleaning Т»П, ч ^ %
1 1,0138 1,0116 329 100,9
2 1,0630 1,0597 454 109,7
3 1,0457 1,0417 547 110,3
4 1,0321 1,0285 700 77,6
5 1,0128 1,0075 727 110,0
6 1,0342 1,0296 732 94,8
7 1,0600 1,0565 750 70,4
8 1,0273 1,0219 804 101,3
9 1,0773 1,0714 843 105,6
10 1,0142 1,0084 851 102,8
11 1,0480 1,0435 886 76,6
12 1,0501 1,0453 918 78,9
13 1,0252 1,0205 951 74,6
14 1,0519 1,0485 1048 48,9
15 1,0313 1,0255 1103 79,3
16 1,0072 1,0020 1189 66,0
17 1,0944 1,0875 1274 81,7
18 1,0182 1,0118 1463 66,0
19 1,0133 1,0069 1618 59,7
20 1,0190 1,0100 2016 67,3
21 1,0472 1,0395 2198 52,8
теристики k, k
'ТГ Tr(mc ГТУ)
и К для рассма-
триваемого двигателя были получены в результате проведения и обработки теплотехнических испытаний ГПА до и после промывок [3]. Значения коэффициента наклона зависимости КТС ГТУ по расходу топливного газа от времени между промывками ОК кТГ и коэффициента наклона зависимости изменения КТС ГТУ по расходу топливного газа от времени по причинам, не связанным с загрязнением проточной части ОК, ктг, гт„, составляют, соответственно:
ТГ(тс ГТУ) '
ктг^9(а) - 8,195.1.0-6 ч^ ктг(тс ГТУ) = = tg(P) 1,566.10-6 ч-1, а значения критерия эффективности промывки ОК ГТД Кэп в зависимости от времени между промывками представлены в табл. 1 [3]. Экономический эффект при различной периодичности промывок проточной части ОК ГТД НК-16СТ рассчитывался с использованием средних значений коэффициента эффективности промывок проточной части ОК ГТД, полученных в результате аппроксимации результатов теплотехнических испытаний ГПА до и после проведения промывок.
Средняя годовая наработка рассматриваемого газотурбинного газоперекачивающего агрегата составляет 4800 ч, цена топливного газа в регионе эксплуатации ГПА - 4500 руб/1000 м3, расход топливного газа при среднегодовой загрузке агрегата - 5000 м3/ч, денежные затраты на дополнительный расход топливного и пускового газа в процессе проведения промывок и моющий раствор (СМС + СЗАТ) составляют около 100 тыс. руб. на одну промывку. Результаты определения годового экономического эффекта от промывок проточной части ОК ГТД на холодной прокрутке в зависимости от наработки агрегата ГПА-Ц-16 между промывками представлены в табл. 2 и на рис. 3. Анализ результатов определения значений экономического эффекта от периодичности промывок проточной части ОК ГТД НК-16СТ в составе агрегата ГПА-Ц-16 позволяет сделать следующие выводы (табл. 2, рис. 3): • наиболее оптимальной является периодичность промывок порядка
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 1-2 february 2017
111
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
Таблица 2. Результаты определения годового экономического эффекта от промывок проточной части ОК газотурбинного двигателя НК-16СТ «на ХП» в зависимости от наработки агрегата ГПА-Ц-16 между промывками
Table 2. The results of the determining the annual economic effect of cleaning flow part of AC of gas turbine engine НК-16СТ in off-line washing due to elaboration of GPA-C-16 between flushes
Число промывок в год The number of cleanings per year Интервал между промывками тМП, ч The interval between cleanings тип, h Коэффициент эффективности промывок КЭП Efficiency coefficient of the cleaning КЭП Объем сэкономленного топливного газа, тыс. м3 Volume of the saved fuel gas, thsd. m3 Стоимость сэкономленного топливного газа, тыс. руб. The cost of the saved fuel gas, thsd. RUB Стоимость проведения промывок, тыс. руб. The cost of the cleaning, thsd. RUB Годовой экономический эффект, тыс. руб. Annual economic effect, thsd. RUB
10 480 1,05 360,8 1623,7 1000 623,7
9 533 1 339,0 1525,4 900 625,4
8 600 0,95 317,4 1428,3 800 628,3
7 686 0,90 294,8 1326,6 700 626,6
6 800 0,85 270,5 1217,1 600 617,1
5 960 0,78 238,3 1072,2 500 572,2
4 1200 0,72 206,2 927,8 400 527,8
3 1600 0,65 165,5 744,6 300 444,6
2 2400 0,56 106,9 481,1 200 281,1
тМП(опт) = 800 ч, так как при такой периодичности получаемый годовой экономический эффект практически максимален, а объем трудовых затрат ниже, чем при большем числе промывок;
• при увеличении периодичности свыше 800 ч наблюдается резкое снижение экономического эффекта от выполняемых мероприятий, что обусловлено снижением коэффициента эффективности промывок проточной части осевого компрессора, возможно, из-за образования загрязнений такого рода, которые не могут быть устранены при используемой технологии промывок ОК ГТД;
• переход с 2 на 6 промывок проточной части ОК газотурбинного двигателя НК-16СТ в составе агрегата ГПА-Ц-16 «на ХП» в год позволит повысить экономический эффект от проведения промывок приблизительно на 340 тыс. руб. в год.
Литература:
1. Р Газпром 2-3.5-438-2010. Расчет теплотехнических, газодинамических и экологических параметров газоперекачивающих агрегатов на переменных режимах.
2. СТО Газпром 2-1.20-601-2011. Методика расчета эффекта энергосбережения топливно-энергетических ресурсов, расходуемых на собственные технологические нужды магистрального транспорта газа.
3. Федосеев А.Ю., Калинин А.Ф. Оценка эффективности очистки проточной части осевого компрессора газотурбинного двигателя // Нефть, газ и бизнес. 2016. № 8. С. 30-33.
Периодичность промывок тМП, ч The frequency of cleaning, hours
Рис. 3. Значения экономического эффекта в зависимости от периодичности промывок проточной части ОК газотурбинного двигателя НК-16СТ «на ХП»
Fig. 3. Values of the economic effect due to the frequency of cleaning of the flow part of AC of gas turbine engine НК-16СТ «КНР» in cold scroll
References:
1. R Gazprom 2-3.5-438-2010. Calculations Of Thermal, Gas-Dynamic And Ecological Parameters Of Gas-Compressor Units At Varying Mode Of Operation. (In Russian)
2. STO Gazprom 2-1.20-601-2011. Methods Of Calculating The Effect Saving Fuel And Energy Resources Spent On The Gas Transport Technological Needs. (In Russian)
3. Fedoseev A.Yu., Kalinin A.F. Evaluation of the cleaning efficiency of the air-gas channel for the axial-flow compressor of a gas turbine engine. Neft', gaz i biznes = Oil, gas and business, 2016, No. 8, P. 30-33. (In Russian)
112
№ 1-2 февраль 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
