CC BY
27УДК 622.691.4.052
В.В. Кичатов, главный инженер проекта, ОАО «Гипрогазоочистка», e-mail: vkichatov@ggo.ru;
М.А. Воронцов, научный сотрудник, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», e-mail: m_vorontsov@vniigaz.gazprom.ru
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГПА В СОСТАВЕ КС С УЧЕТОМ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
Потенциал энергосбережения при оптимизации режимов работы компрессорной станции (КС) в ряде случаев сопоставим с областью неопределенности оптимизируемого параметра, обусловленной неопределенностью исходных данных для проведения оптимизационных расчетов (показатели работы КС, характеристики оборудования). В данной работе рассмотрены причины, приводящие к неопределенности исходных данных, предложена методика учета неопределенности показателей эксплуатации при проведении оптимизации режимов работы КС и способы снижения ее влияния на результаты оптимизации.
Оптимизация режима работы компрессорной станции при оперативном регулировании распределения нагрузки между газоперекачивающими агрегатами (ГПА) является наименее затратным способом снижения энергетических затрат [1]. Однако в ряде случаев величина экономического эффекта при этом может быть сопоставима с областью неопределенности значений оптимизируемого параметра, обусловленной неопределенностью исходных данных - показателей эксплуатации и характеристик ГПА.
Неопределенность показателей эксплуатации появляется вследствие неравномерности параметров работы КС (среднесуточной, среднемесячной), ограниченной точностью прогноза режимов работы газопроводов, а в ряде случаев и точностью средств измерения. Причиной неопределенности характеристик ГПА является снижение технического состояния оборудования и различие индивидуальных характеристик ГПА с данными формуляров или каталогов газоперекачивающего оборудования. Как правило, в данных документах представлены характери-
стики, полученные при испытаниях головного образца. Вместе с тем известно, что погрешности изготовления и сборки приводят к отличию характеристик различных образцов одного и того же типа оборудования [2, 3].
В данной работе проведено сопоставление результатов оптимизации режимов работы КС, оснащенных газотурбинными ГПА, с областью неопределенности оптимизируемого параметра, показателя энергоэффективности ее работы. Потенциал энергосбережения для параллельной, последовательной и смешанной схем обвязки ГПА принят по результатам [4, 5, 6, 7]. В данных работах рассмотрен способ оптимизации режима работы КС за счет распределения производительности между параллельными ГПА, суммарной степени сжатия КС между ступенями, с учетом технологических ограничений по частоте вращения, объемной производительности и располагаемой мощности. Оценка области неопределенности оптимизируемого параметра проведена с использованием методики, основанной на математическом методе малых отклонений (ММО) [8]. Данный метод
позволяет осуществить оценку влияния на величину исследуемой функции, как отдельно взятого параметра, так и их совокупности.
В [1, 6, 7] показано, что наиболее корректным критерием для оценки энергоэффективности работы газоперекачивающего оборудования является себестоимость единицы энергии (Се), идущей на сжатие природного газа. При оснащении КС только газотурбинными ГПА величина Се прямопропорциональна расходу топливного газа, qТГ.
В соответствии с ММО, для каждого интересующего нас параметра работы ГПА рассчитывается коэффициент влияния, который количественно определяет, как изменение данного параметра влияет не значение показателя энергоэффективности.
В работе рассмотрено влияние нео-пределённости значений следующих параметров режима работы ГПА: температуры и давления газа (ТН, РН) на входе в центробежный компрессор (ЦБК), политропного КПД ЦБК (т|п) и эффективного КПД приводного двигателя (1%), принято, что отсутствует неопределенность значений давления
ЭКСТРОЛ
ЭКСТРУЗИОННЫЙ ПЕНОПОЛИСТИРОЛ
Работает с теплом!
www.extrol.org
ЭкстраСЕГМЕНТ
тм
Уникальный и единственный в России широкий монолитный сегмент из экструзионного пенополистирола «Экстрол», предназначенный для тепловой изоляции наружной поверхности трубопроводов диаметром от 57 мм до 1420 мм при подземной и надземной прокладке в сезоннопромерзающих и вечномерзлых грунтах. Рабочий диапазон температур для изделий из материала «Экстрол» от -63°С до +75°С. Долговечность материала составляет более 50 лет*.
эдстраСЕГмент
другой сегмент
В 2 раза:
У сокращаются сроки монтажа
V снижаются трудозатраты
✓ улучшается теплоизоляционный эффект увеличивается срок службы
* По результатам испытаний НИИ Строительной физики, г. Москва ТУ 5767-002-77909577-2007 сегменты и полуцилиндры «Экстрол»
620144, г. Екатеринбург, ул. Народной Воли, д.19 А тел./факс +7 (343) 372-19-19 (20,21,22,23) e-mail: info@extrol.org
Таблица 1. Потенциал экономии топливного газа при переходе на оптимальный режим работы для различных ехем компримирования
Варианты оснащения КС Типоразмер ГПА/схема работы Потенциал экономии топливного газа, % Область неопределенности оптимизируемого параметра, %
В.1 В.2 В.3 В.4
Параллельная схема работы ГПА
1 Цех с 2 агрегатами ГТК-25ИР и цех с 4 агрегатами ГПА-Ц-16 5* 1,4 2,1 1,9 3,1
Последовательная схема работы ГПА
2 ГТН-6 2х2 3* 2,5 3,9 2,7 5,4
Смешанная схема работы ГПА
3 ГПА Ц-16 3х2 7* 1,4 2,3 2,3 3,5
* Потенциал экономии топливного газа указан с учетом, что между агрегатами цехов с параллельной обвязкой распределение нагрузки оптимальное.
Таблица 2. Принятые значения отклонений параметров работы ГПА,%
Варианты оснащения КС Производительность ГПА Давление на входе ЦБК Температура на входе Политропный КПД ЦБК Эффективный КПД привода
Вариант 1 1,0 -0,4 0,07 0,0 0,0
Вариант 2 1,0 -0,4 0,07 -4,0 0,0
Вариант 3 1,0 -0,4 0,07 0,0 -3,0
Вариант 4 1,0 -0,4 0,07 -4,0 -3,0
Таблица 3. Значение параметров работы ГПА на оптимальном режиме работы и коэффициентов влияния
Варианты оснащения КС Производительность ГПА, млн.м3/ сут Давление в ЦБК МПа Температура на входе, К Степень повы- шения давления Политроп-ный КПД ЦБК Мощность на валу ГТУ, МВт Эффективный КПД привода
вход выход
1 Параметры ЦЕХ 1/ ЦЕХ 2 102,0/ 148,0 5,60/ 5,60 7,20 /7,20 290,0/ 290,0 1,29/ 1,29 0,74/ 0,81 20,1/ 13,9 0,31/ 0,27
Коэффициенты влияния ЦЕХ 1/ ЦЕХ 2 1,0/ 1,0 -4,30 / -4,30 - 1,5/ 1,5 - -1,04/ -1,05 0,49/0,50 1,0/ ,0
2 Параметры ЦЕХ 1/ ЦЕХ 2 40,0/ 40,0 5,10/ 6,09 6,07/ 7,0 263,0/ 278,2 1,19/ 1,15 0,75/ 0,73 4,5 / 4,0 0,22/ 0,22
Коэффициенты влияния ЦЕХ 1/ ЦЕХ 2 1,0/ 1,0 -6,1/ -7,5 - 1,6/1,6 - -1,05/ -1,04 0,7 / 0,7 1,0/1,0
3 Параметры ЦЕХ 1/ ЦЕХ 2 60,0/ 60,0 4,1/ 5,2 5,3/ 7,1 293,0/ 318,3 1,30/ 1,40 0,77/ 0,86 7,4 / 10,7 0,21/ 024
Коэффициенты влияния ЦЕХ 1/ ЦЕХ 2 1,0/ 1,0 -3,0/ -4,5 - 1,2/1,3 - -1,05/ -1,04 0,7 / 0,5 1,0/1,0
нагнетания, температуры и давления атмосферного воздуха, состава компри-мируемого газа. Величина относительного отклонения суммарного расхода топливного газа ^ТГ определялась по следующим зависимостям::
Э^К^-ЭХ,; Хі=(г]е, Мено", Ме)
аме=ікх_ МеуД-ах1.; х,=(Лп, т„, рн)
где ^ном номинальная мощность приводного двигателя, МВт; КХ1У коэффициент влияния, значение которого определяет, как величина функции У изменяется при увеличении(уменьшении)аргумента X на 1%; 8Х, 5У относительное изменение параметров Х,У
т - количество рассматриваемых параметров.
Значения потенциала энергосбережения и области неопределенности оптимизируемого параметра для рассмотренных вариантов представлены в таблице 1.
Область неопределенности оптимизируемого параметра определялась для четырех вариантов отклонений пока-
9
ю
72,0
70,5
69,0
п $7.5
& 66.0
га
<0
154.5
153.0
61.5
60.0
58.5
57.0
ОЇК 2 /
^ - ^ ^ -
. Оті ** ■* Ґ г Г * \ у
<!** * щУу г ^ ^
, — ' *" , ' ^ ' *і яї "
г-4' ^ г ж г . -г р'
^ д -■ Р " ■ *
Л- ■ ■
' » » _ ГГ м.:- і- -• - • * ' * ~ * ** * г л * 1
— » 1 ( < --
! Г 1 ! 1 1 1 |1 1 * і ■
1,2
Р.Б
0.0
0.4
0.2
1 7 3 4 5 Є 7 Є & 10 11 12 13 14 15
возможные режимы работы КС
Рис. 1. График затрат на возможных режимах работы 3 ГПА-Ц-16 и 2 ГПА-Ц-16 (последовательно)
Вариант 1----, Вариант 2----, Вариант 3----, Вариант 4---.
потн1 - относительные обороты агрегатов 1-й ступени; потн2 - относительные обороты агрегатов 2-й ступени
зателей эксплуатации КС, КПД ЦБК и ГТУ в составе ГПА.
В первом варианте область неопределенности характеризуется только погрешностью систем измерений. В вариантах 2, 3 дополнительно задавалось ухудшение характеристик одного из рабочих ГПА по политропному т|п и эффективному т|е КПД соответственно. В варианте 4 рассмотрен случай ухудшения характеристик и ЦБК, и ГТУ. Снижение тіп ЦБК принималось равным 4% (отн.), в соответствии с данным работы [2], и тіе на 3%, в пределах нормативного значения коэффициента технического состояния ГТУ по расходу топливного газа 1,05 [10].
Для всех вариантов отклонения показателей эксплуатации КС (давления, температура и производительность) задавались исходя из требований к системам измерений для газотурбинных ГПА. Принятые значения отклонений представлены в таблице 2.
Расчетные значения показателей работы и эффективности ГПА КС на оптимальных режимах работы и соответствующие им коэффициенты влияния представлены в таблице 3.
На рисунках 1, 2, 3 представлены значения затрат на топливный газ для рассмотренных вариантов оснащения КС, при стоимости 2900 руб./ тыс.м3 и с учетом области неопределенности данного параметра на всех возможных режимах работы.
Из таблиц 1, 3 и рисунков 1, 2, 3 следует, что наибольшим потенциалом
для энергосбережения при перераспределении нагрузки обладает система компримирования со смешанной обвязкой агрегатов. Данный вывод справедлив, как в случае однозначно заданных параметров эксплуатации ГПА, так и при учете неопределенности.
В зависимости от пологости графика затрат в окрестностях минимума область неопределенности может быть сопоставима со всем рабочим диапазоном оптимизируемой схемы.
Если отклонения рассмотренных величин носят вероятностно-определенный
(статистический) характер, то результат оптимизации по существу не меняется, при этом точка минимума затрат хотя и не является однозначно-определенной, но известна с определенной долей вероятности.
К вероятностно-определенным величинам могут быть отнесены те показатели, диапазон изменения которых оценен в ходе продолжительного опыта эксплуатации: снижение технического состояния в межремонтный период известных типов оборудования сезонной неравномерностью работы магистральных газопроводов.
возможные режимы работы КС
Рис. 2. График затрат на возможных режимах работы2 ГТН-6 и 2 ГТН-6 (последовательно)
Вариант 1----, Вариант 2----, Вариант 3----, Вариант 4----.
Различие индивидуальных характеристик оборудования, обусловленных погрешностями изготовления и сборки, а также внеплановые изменения режимов работы магистральных газопроводов (аварийная ситуация или изменение спроса) и интенсивность снижения технического состояния новых типов оборудования не могут быть заданы с какой-либо вероятностью и являются вероятностно-неопределенными (случай неполноты информации).
При этом результаты, полученные при изменении их значения в принятом диа-
пазоне изменения,считаются равновероятными и режимы, попадающие в диапазон областей 2, 3 и 4 (рис. 2), считаются равно-экономичными (область неопределенности определяется точками пересечения касательной к линии верхнего диапазона изменения с линией нижнего диапазона изменения).
Из данных таблиц 1,2, отклонение от расчётных характеристик только одного из рабочих ГПА приводит к увеличению области неопределенности в 1,5-2,0 раза. Таким образом, для уменьшения области неопреде-
лённости результатов оптимизации требуется наличие индивидуальных характеристик ГПА в составе оптимизируемой схемы [2].
Также возможно определение оптимального режима внутри области неопределённости с использованием дополнительных критериев (уровень шума, вибрация, объем вредных выбросов) и методов многопараметрической оптимизации. Ранжирование критериев осуществляется исходя из их важности непосредственно для рассматриваемого объекта. В качестве дополнительного оптимизационного параметра при выборе оптимального режима может быть принята частота вращения ротора (рис. 1), пропорционально которой изменяется нагрузка на элементы оборудования и уровень шума [11].
ВЫВОДЫ
1. При оптимизации режимов работы КС необходимо учитывать область неопределенности оптимизируемого параметра, обусловленную неопределенностью исходных.
2. В случае если отклонения параметров носят вероятностно-неопределенный характер (неполнота информации), область равноэффективных режимов работы в зависимости от пологости графика затрат в окрестностях минимума может совпадать со всей областью возможной работы схемы комприми-рования.
3. Если отклонения параметров носят вероятностно-определенный характер, то неопределенность исходных данных и погрешность измерительных приборов не оказывает существенного влияния на определение наиболее эффективного режима работы ГПА в заданной схеме компримирования.
4. Уменьшение области неопределенности значений оптимизируемого параметра может быть обеспечено за счет применения методик определения индивидуальных характеристик ГПА [2]. Также возможно использование методов многопараметрической оптимизации с использованием дополнительных критериев, в качестве которых могут быть использованы нагрузка на элементы оборудования, вибрация, шумовые характеристики, объем вредных выбросов.
Рис. 3. График затрат на возможных режимах работы 2 ГТК-25ИР и 4 ГПА-Ц-16 (параллельно)
Вариант 1-----, Вариант 2----, Вариант 3----, Вариант 4----.
Литература:
1. Энергосберегающие технологии при магистральном транспорте газа/ Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, С.М. Купцов, А.С. Лопатин, К.Х. Шотиди. Учебное пособие. - М.: МПА-Пресс, 2006. - 311 с.
2. Быков Г.А., Быкова О.Г. Системный анализ и обобщение результатов стендовых испытаний газовых центробежных компрессоров // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2006, №9 - С. 26-31.
3. Сравнительная оценка газодинамических характеристик высоконапорных центробежных компрессоров / В.В. Огнев, В.А. Щуровский, С.Ю. Сальников, Р.В. Шинтяпин. // Газотурбинные технологии, июнь 2008.
4. Калинин А.Ф., Кичатов В.В. Выбор режимов работы газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях// Научнотехнический сборник «Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт». - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2010, № 1, с. 59-67.
5. Калинин А.Ф., Кичатов В.В. Исследование режимов работы ГПА в смешанной обвязке с промежуточным охлаждением// Сборник тезисов 8-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности». - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2009. - С. 163.
6. Калинин А.Ф., Лопатин А.С., Кичатов В.В. Определение эффективных режимов работы газоперекачивающих агрегатов// Сборник докладов IV Международной конференции «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» (28-30 апреля 2009 г.) - М.: ВНИИГАЗ, 2009.
7. Калинин А.Ф., Кичатов В.В., Торопов А.Ю.. Оценка эффективности работы систем компримирования компрессорных стаций // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2009. - С. 85-95.
8. Воронцов М.А. Оценка энергоэффективности дожимного компрессорного комплекса в условиях неопределенности параметров его работы и характеристик оборудования// Тезисы докладов научно-практической конференции молодых специалистов и ученых «Применение новых технологий в газовой отрасли: опыт и преемственность», Москва, 2011.
9. Галиуллин З. Т., Леонтьев Е.В. Интенсификация магистрального транспорта газа. - М.: Недра, 1991. - 272 с.
10. СТО Газпром 2-3.5-051-2006 Нормы технологического проектирования.
Минаев, Д.А., Терехов А.Л. Определение влияния режима работы центробежных нагнетателей на интенсивность шумоизлучения // Сборник научных статей аспирантов и соискателей ООО «Газпром ВНИИГАЗ». -Москва, 2009, с. 162.
Ключевые слова: энергосбережение, погрешность, оптимизация, коэффициент влияния, режим работы, регулирование режимов работы ГПА.
The Joy of welding
Удовольствие от сварки
Компания Кёгпрр Оу [ФингяцдиечЗ - ведущим мировом про^ажщтель сеаро^ого оборудования для дугоаьус меюдов сварки. Сварочное оборудование проийкддслва Kemppi - эно качество, надежное иьъ высокий технический уровень. Компани» имеет 30-Т1Л летний успешный опыт рабогы в России. Для управления продажами и осуществлена технической гюдцеркки поставляемого оборудования на территории Р^СнйСкОй Федераци и 10 чая 2006 года была создано1 дочернее предприятие компании Кетар^и Оу 0СЮ*Ке*1ппи*.
Внасги^щке времн на территории Российской Федерации компанией ООО -Кемппи» создана и успешно работает сеть дилерски* ^нтроа по продаже и сервисному обслуживание сааро inch о оборудования KeiT.ppi, которая насчитывает бопее^О представителей во все* pei немая страны.
Гемеролыные представители ООО «Кияппн- ■ России:
C3SQ ООО «ЦТС Выборг ь +7 [8121 719 fi l 33 ЦФО ООО«ГШ ОТО, +7 (Л95> 63
ООО *ftaif*uw, +7 Й95) Мб 06 90 ЮФО.ООО«АетравИЩ* *7 |К1 ?\ 39 СИ +1 ГКЮ ООО «Премьера-, +? ЗЗ-^М/
УФО. ООО «Св*рЮ 7J-, f 7 05Щ» 72 54 Западная СИЙирк ООО ^^Луиигаииошпеяг*, (ЗМЭ? 7 г 36 Восточная Сибгоо. ООО «ТВ. Сыкзчн*зТг&мко*, 1 ? £35521 7& QQ 45 ЛВОО ООО «ОЁсчрудо№4№ i';'w рнгми м сjupKP*. - Т (Ч j1.1'rv1 ЮС«]
ООО‘Келяппи'. г. Москва,ул.Прлноезч д.Устроение6.
Теп: +7 Ш) 719 4ЭСМ. факс +7 (*95) 7394305
www.kemppi,com S/ КЕМРРІ
' №е |gj аі
