Опыт и перспективы применения турбодетандерных агрегатов на промысловых технологических объектах газовой промышленности России Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ АГРЕГАТОВ НА ПРОМЫСЛОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ

УДК 621.5

В.А. Хетагуров, к.т.н., АО «Турбохолод» (Москва, РФ), hetag52@gmail.com П.П. Слугин, ООО «Газпром добыча Надым» (Надым, РФ),

Slugin.PP@adm.gazprom.ru

М.А. Воронцов, к.т.н., ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (Москва, РФ),

M_Vorontsov@vniigaz.gazprom.ru

А.Н. Кубанов, к.т.н., ООО «Газпром ВНИИГАЗ», A_Kubanov@vniigaz.gazprom.ru

В статье представлен опыт применения турбохолодильной техники на объектах добычи, транспорта и переработки газа нефтяной и газовой промышленности. Приведены данные об основных технологических и конструктивных особенностях турбодетандерных агрегатов. Более детально рассмотрены турбодетандерные агрегаты для оснащения технологических объектов газовых промыслов на месторождениях, разрабатываемых ПАО «Газпром», ПАО «НОВАТЭК» и др. Кратко рассмотрены основные этапы истории применения турбодетандерных агрегатов на промыслах в отечественной газовой промышленности. Выполнен анализ показателей эксплуатации (производительность, термобарические параметры) и эффективности турбодетандерных агрегатов, оценка потребности в турбохолодильных агрегатах для оснащения промыслов перспективных месторождений до 2035 г., а также обозначены актуальные задачи и перспективные направления для совершенствования промысловой турбохолодильной техники. Прогноз потребности и предложения по совершенствованию основаны на результатах накопленного с 1987 г. практического опыта научного сопровождения разработки и эксплуатации промысловых турбодетандерных агрегатов.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТУРБОДЕТАНДЕРНЫИ АГРЕГАТ, ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТУРБОДЕТАНДЕРНОГО АГРЕГАТА, СОВРЕМЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЛИК ПРОМЫСЛОВЫХ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ АГРЕГАТОВ.

Турбодетандерные агрегаты (ТДА) широко используют в газо -вой промышленности на промысловых технологических объектах в составе низкотемпературных установок комплексной подготовки газа (УКПГ), на станциях охлаждения газа (СОГ) в составе компрессорных станций (КС), а также на газораспределительных станциях (ГРС) для выработки электроэнергии и производства сжиженного газа в малотоннажных установках [1-7]. Применение турбохолодильной техники позволяет обеспечить высокие требования к качеству подготовки газа, выполнение которых необходимо для его транспортировки

по магистральным газопроводам, находящимся в криолитозоне, а также глубокого извлечения углеводородов [4, 7]. Кроме того, с помощью турбодетандера возможно использовать энергию, вырабатываемую при расширении газа в турбине, для повышения эффективности технологического процесса: в зависимости от выбора полезной нагрузки для турбины возможно обеспечить выработку электрической энергии или частично восстановить давление,затраченное при охлаждении газа [3, 5, 6].

В настоящее время эксплуатация ТДА осуществляется в составе технологических объ-

ектов компаний ПАО «Газпром», ПАО «НОВАТЭК», ПАО «Роснефть» и др. Анализ существующего опыта проектирования и эксплуатации ТДА необходим для понимания перспектив развития технологий с применением тур-бодетандеров и принятия соответствующих решений в рамках научно-технической политики нефтяных и газовых компаний.

ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТДА

Применяемые турбодетандеры различаются по ряду конструктивных особенностей: расположению вала (горизонтальное, вертикальное); типу турбины (осевая, радиальная); типу соплового аппарата

Khetagurov V.A., Candidate of Sciences (Engineering), Turbokholod JSC (Moscow, Russian Federation),

hetag52@gmail.com

Slugin P.P., Gazprom dobycha Nadym LLC (Nadym, Russian Federation), Slugin.PP@adm.gazprom.ru Vorontsov M.A., Candidate of Sciences (Engineering), Gazprom VNIIGAZ LLC (Moscow, Russian Federation),

M_Vorontsov@vniigaz.gazprom.ru

Kubanov A.N., Candidate of Sciences (Engineering), Gazprom VNIIGAZ LLC, A_Kubanov@vniigaz.gazprom.ru

Experience and prospects of application of turbo-expanders at the gas-field technological objects of gas industry in Russia

The article reviews the result of turbo-expander equipment application in the oil and gas upstream and downstream. It also presents the technical data on the technological and constructive specifics of turbo-expanders. The application experience of turbo-expanders in the gas upstream operated by Gazprom PJSC, NOVATEK PJSC, etc. is reviewed in more details. The main stages of the use of turbo-expanders in fields in the domestic gas industry are briefly discussed. The analysis of operating indicators (productivity, thermobaric parameters) and efficiency of turbo-expanders, the assessment of the need in turbo-expanders for equipping the fields of upside fields until 2035, as well as current tasks and promising areas for improving the commercial turbo-refrigeration equipment is carried out. The forecast of needs and suggestions for improvement are based on the results of the practical experience since 1987 in the scientific support of the development and operation of field turbo-expanders.

KEYWORDS: TURBO-EXPANDER, TURBO-EXPANDER EFFICIENCY INDICATORS, MODERN TECHNICAL SPECIFICATION OF INDUSTRIAL TURBO-EXPANDERS.

(СА) (регулируемый (РСА), нерегулируемый (НСА)); типу подшипников (масляные, магнитные); типу полезной нагрузки (электрогенератор, газовый компрессор) и др. В общем случае можно характеризовать ТДА также и по типу компрессора (осевой, центробежный), но в настоящее время, как правило, применяют центробежные компрессоры (ЦБК), поэтому в данной статье тип компрессора не выделяется как отдельный классификационный признак.

Кроме рассмотренных конструктивных классификационных признаков существует и важный технологический признак, в соответствии с которым турбоде-тандерные агрегаты различают по типу обвязки: «компрессор -детандер» (К - Д) или «детандер -компрессор» (Д - К) [7]. Последовательность букв «К» и «Д» обозначает очередность прохождения газа через компрессор и турбину в технологической схеме. Тип обвязки обосновывается на этапе проектирования с учетом особенностей объекта - состава сырьевого газа, показателей эксплуатации, требований к температурам процесса и т. п. [7].

В табл. 1-3 представлены основные сведения о ТДА, эксплуатиру-

емых на ряде объектов нефтяных и газовых компаний Российской Федерации. Информация структурирована в соответствии с указанными выше конструктивными и технологическими классификационными признаками.

Из анализа данных табл. 1-3 следует, что в настоящее время на отечественных объектах нефтяной и газовой промышленности в эксплуатации находятся более 200 ед. турбохолодильного оборудования, причем, в основном, нашли применение турбодетан-деры отечественного производства. Доля ТДА зарубежного про -изводства незначительна (2-3 %). Так, на некоторых объектах применены агрегаты производства Rotorflow (Inc.) и «Турбогаз» (Украина), но основу действующего парка промысловых тур-бодетандеров составляют агрегаты российского производства (АО «Турбохолод»). На отдельных объектах происходит замещение ранее установленного оборудования аналогами отечественного производства. Так, на технологических объектах ООО «Газпром добыча Ямбург» первоначально были установлены агрегаты ПАО «Турбогаз», но в настоящее время от первоначальной постав-

ки сохранились только корпусные элементы.

Анализ существующих данных (см. табл. 1-3) показал, что наибо -лее крупный сегмент парка ТДА нефтегазовой отрасли составляют их промысловые модификации: на промысловых объектах нефтяной и газовой промышленности в эксплуатации находятся 169 ед. турбохолодильного оборудования отечественного производства. Нашли применение ТДА с вертикальным и горизонтальным расположением роторов (рис. 1-3), с регулируемым и нерегулируемым СА [3, 4].

Агрегаты с вертикальными корпусами являются наиболее перспективными разработками в силу ряда преимуществ: меньшая площадь для размещения (рис. 2, 3); технологичная конструкция позволяет быстро (10-15 мин) осуществлять смену проточной части; наличие эффекта разгрузки подшипниковых узлов при работе ТДА (осевая сила компрессора действует в направлении,противоположном силе тяжести).

Наличие регулируемого СА обеспечивает более гибкое регулирование режимов работы ТДА, но при этом обладает несколько меньшим (на 1,0-1,5 %) КПД

Таблица 1. Основные характеристики ТДА, применяемых на объектах добычи газа Table 1. The main characteristics of turbo-expanders used at gas production facilities

Месторождение, залежь Компания-потребитель Компания-производитель Объект применения Год начала применения Число ТДА, шт. Тип корпуса Тип СА Тип турбины Полезная нагрузка Тип обвязки Тип опор

Ямбургское НГКМ, сеноман, [12] ООО «Газпром добыча Ямбург», Группа «Газпром» АО «Турбохолод» (РФ) СОГ 1986 63 РСА О К к - д М

Ямбургское НГКМ, валанжин [12] ООО «Газпром добыча Ямбург», Группа «Газпром» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 1991 14 РСА О К к - д М

Уренгойское НГКМ, Песцовая площадь [12] ООО «Газпром добыча Уренгой», Группа «Газпром» АО «Турбохолод» (РФ) СОГ 2007 10 НСА О К к - д мд

Ямбургское НГКМ, Харвутинская площадь [12] ООО «Газпром добыча Ямбург», Группа «Газпром» АО «Турбохолод» (РФ) СОГ 2016 9 НСА О К к - д мд

Бованенковское НГКМ [12] ООО «Газпром добыча Надым», Группа «Газпром» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 2012 30 РСА О К Д - К мд

Заполярное НГКМ [12] ООО «Газпром добыча Ямбург», Группа «Газпром» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 2015 7 НСА О К Д - К мд

Чаяндинское НГКМ, запланирован ввод ООО «Газпром добыча Ноябрьск», Группа «Газпром» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 2020 8 В РСА О К Д - К мд

Самбургское НГКМ, валанжин [12] ПАО «НОВАТЭК» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 2012 4 РСА О К к - д мд

Самбургское НГКМ, ачимовские [12] ПАО «НОВАТЭК» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 2013 3 РСА О К к - д мд

Юрхаровское НГКМ [12] ПАО «НОВАТЭК» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 2007 12 НСА О К к - д мд

Яро-Яхинское НГКМ ПАО «НОВАТЭК» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 2013 2 НСА О К к - д мд

Находка ПАО «Лукойл» АО «Турбохолод» (РФ) УКПГ 2009 4 НСА О К к - д мд

Ванкорское [13] ООО «РН-Ванкор», ПАО«НК «Роснефть» ПАО «Турбогаз» (Украина) УКПГ 2014 3 Р К Д - К М

Таблица 2. Основные характеристики ТДА, применяемых на объектах транспорта газа Table 2. The main characteristics of turbo-expanders used at gas transportation facilities

КС, ГРС Компания-потребитель Компания-производитель Объект применения Год начала использования Число агрегатов, шт. Тип корпуса Тип СА Тип турбины Полезная нагрузка Тип обвязки Тип опор

КС «Ярынская» [14] ООО «Газпром трансгаз Ухта» АО «Турбохолод» (Россия) СОГ 2015 22 В НСА О К Д - К мд

ГРС-4 ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» ОАО «НПО Гелиймаш» ГРС 2010 - - - Р К - -

ГРС г. Кировограда [6] ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» ООО «Научно-производственная компания «НТЛ» ГРС 2014 2 Г - - Э (2 кВт) - -

ГРС г. Верхняя Салда [6] ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» ООО «Научно-производственная компания «НТЛ» ГРС 2014 2 Г - - Э (5 кВт) - -

ГРС «Сертолово» ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» ООО НТЦ «Микротурбинные технологии» ГРС 2011 1 Г - О Э (20 кВт) - гд

по сравнению с нерегулируемым СА [3].

В первую очередь, РСА применяют на объектах с большим количеством агрегатов, напри-

мер Бованенковское нефтега-зоконденсатное месторождение (НГКМ), а на объектах со сравнительно небольшим количеством агрегатов, например УКПГ-1В, 2В

Заполярного НГКМ, применяют набор сменных НСА, которые оперативно заменяют при сезонном изменении режимов работы ТДА (см. табл. 1).

Таблица 3. Основные характеристики ТДА, применяемых на объектах переработки газа Table 3. The main characteristics of turbo-expanders used at gas processing facilities

Завод Компания-потребитель Компания-производитель Объект применения Год начала использования Число агрегатов, шт. Тип корпуса Тип СА Тип турбины Полезная нагрузка Тип обвязки Тип опор

Сосногорский ГПЗ ООО «Газпром переработка» Rotorflow ГПЗ 2005 1 Г РСА Р К к - д М

Астраханский ГПЗ ООО «Газпром добыча Астрахань» Rotorflow ГПЗ - 6 Г РСА Р К Д - К М

Рис. 1. Испытательный стенд ТДА для Чаяндинского НГКМ с вертикальным корпусом (ротором) Fig. 1. Turbo-expander test stand for Chayandinskoe oil and gas condensate field with a vertical body (rotor)

Рис. 2. Галерея ТДА с горизонтальными

корпусами (роторами),

СОГ КС «Песцовая»

Fig. 2. Gallery of turbo-expanders with

horizontal bodies (rotors), gas cooling

station of Pestsovaya compressor station

Рис. 3. Галерея ТДА с вертикальными корпусами (роторами), КС «Ярынская»

Fig. 3. Gallery of turbo-expanders with vertical bodies (rotors), Yarynskaya compressor station

Выбор типа турбины - осевой или центростремительной - осуществляется с учетом особенностей объекта применения: производительности технологических линий; содержания в составе газа влаги и конденсирующихся тяже -лых углеводородов. Важно отметить, что осевые турбины менее подвержены эрозионному износу при конденсации жидкости в СА [3, 4], так как благодаря осево -му направлению потока конденсирующаяся жидкость уносится из проточной части и значительно меньшее время контактирует с конструктивными элементами проточной части.

Наряду с рассмотренными выше классификационными признаками ТДА можно подразделять и по значениям показателей эксплуатации: производительность, давление и температура, отношение давлений в турбине ят, отношение давлений в компрессоре як и др. Существующие промысловые ТДА эксплуатируют при рабочих давлениях 12,2-5,6 МПа, ят до 1,12,1 ед. и с производительностью 5-20 млн м3/сут. При этом агрегаты обеспечивают охлаждение

газа на 30° и более, что в схемах с рекуперацией холода позволяет достигать температуры низкотемпературной сепарации (НТС) до -30 °С летом и до -40 °С в осен-не-зимне-весеннем периоде и лк в ЦБК до 1,35 ед. Основные показатели эксплуатации промысловых ТДА представлены в табл. 4.

Началом применения промысловых ТДА на территории бывшего СССР считается пуск турбохоло-дильной установки на Шебелин-ском месторождении (Украина) в 1971 г. [3, 8]. Полученный опыт был успешным, и применение ТДА на газовых промыслах для подготовки газа к транспорту признано перспективным технико-технологическим решением. Расширение парка ТДА продолжилось уже в 1986 г.: были внедрены ТДА на установках охлаждения осушенного газа на семи УКПГ Ямбург-ского НГКМ в количестве 63 ед. (см. табл. 1) [4, 7]. Данные установки применяются сезонно - только в летние периоды года. Следующим этапом развития промысловых технологий с использованием турбохолодильной техники можно считать применение ТДА

на УКПГ Бованенковского НГКМ. Особенность данной установки заключается в круглогодичной эксплуатации турбодетандеров [7, 8].

НАУЧНОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ

Применение новой турбохолодильной техники и сравнительно быстрое расширение ее парка потребовало научного сопровождения, необходимого для осмысления и обобщения накапливаемого технологического опыта, оперативного анализа и определения путей решения неизбежно возникающих проблем, а также для консолидации и реализации высокого интеллектуального потенциала специалистов эксплуатационных служб и компании -производителя оборудования.

Научное сопровождение эксплуатации технологических систем с ТДА требуется на различных этапах жизненного цикла объекта добычи газа. На этапе проектирования УКПГ необходима разработка технологических требований на проектирование ТДА и решение ряда задач, которые возникают на этапах пуска и эксплуатации УКПГ:

Таблица 4. Основные показатели эксплуатации ТДА [12, 14] Table 4. The main indicators of turbo-expanders operation [12, 14]

Месторождение, залежь

Параметр Бованенковское НГКМ, апт Заполярное НГКМ, валанжин СОГ КС «Песцовая», сеноман Самбургское НГКМ, валанжин Юрхаровское НГКМ, валанжин Находкинское НГКМ, валанжин

Недропользователь ПАО «Газпром» ПАО «НОВАТЭК» ПАО «Лукойл»

Год ввода ТДА 2012 2015 2007 2013 2007 2009

Число ТДА, шт. 30 7 10 3 9 4

Тип обвязки ТДА Детандер - компрессор Компрессор - детандер

Производительность ТДА, млн ст. м3/ч 11,0 10,0 10,0 6,0 10,0 10,0

Частота вращения ротора ТДА, об/мин 13 200 15 500 14 000 15 500 16 000 14 000

Отношение давлений (турбина/компрессор) 1,72/1,30 1,85/1,27 1,50/1,21 1,53/1,24 1,80/1,21 1,50/1,21

Давление на входе, МПа 8,98 12,1 9,0 12,85 12,9 9,0

Турбина Давление на выходе, МПа 5,20 6,6 6,0 8,37 7,2 6,0

Температура на входе, °С -1,0 2,0 21, 9 6,0 -2,4 21,9

Температура на выходе, °С -30,0 -30,0 -5,2 -18,5 -32,4 -5,2

Давление на входе, МПа 4,94 5,98 7,2 10,44 10,7 7,2

Компрессор Давление на выходе, МПа 6,42 7,60 8,7 12,98 12,9 7,2

Температура на входе, °С -4,0 19,85 21,9 18,8 24,8 21,9

КПД турбины 0,84 0,83 0,85 0,85 0,85 0,85

КПД компрессора по патрубкам 0,80 0,80 0,82 0,80 0,82 0,82

Интегральное охлаждение ДТт 29,0 32,0 27,0 24,5 30,0 27,0

Дифференциальное охлаждение ДТт/ДРт 0,79-0,91 0,58-0,80 0,89-0,92 0,55-0,62 0,55-0,65 -

Коэффициент восстановления давления ДРк/ДРт 0,35-0,47 0,34-0,47 0,47-0,61 0,34-0,41 0,31-0,45 -

- разработка программ и методик испытаний ТДА на стенде и в условиях промысла;

- непосредственное проведение испытаний и мониторинг технологических режимов работы ТДА;

- определение индивидуальных эксплуатационных характеристик ТДА;

- определение соответствия технологическим требованиям на разработку;

- прогноз перспективных режимов работы и сроков модернизации.

Научное сопровождение на этапах проектирования и эксплуатации промысловых технологических объектов с ТДА осуществлялось специалистами ООО «Газпром ВНИИГАЗ» [8, 9]. К настоящему моменту в течение 30 лет (с 1987 г.) накоплен обшир -ный опыт, который показал, что необходима разработка специализированных методических подходов для решения возникающих задач. Применение мето-

дов (например, разработки технологических требований,оценки эффективности, технического состояния и т.д.), разработанных для подобных турбомашин, но используемых в составе других объектов (системы охлаждения, объекты магистрального транспорта и т. п.), могут привести к некорректным выводам. Это вызвано специфическими условиями эксплуатации промысловых ТДА, основные из которых: уникальность физико-химических свойств рабочих сред на каждом месторождении, переменный характер режимов эксплуатации и работа в составе сложных технологических объектов. Необходимо рассматривать ТДА как один из элементов много -параметрической интерактивной системы, поэтому решение всех возникающих задач осуществляется на основе математического моделирования технологической схемы УКПГ в целом.

К разработке корректных технологических требований на проек-

тирование ТДА - основополагающего условия эффективности их применения - необходимо подходить комплексно:

- учитывать изменение условий эксплуатации УКПГ в течение всего жизненного цикла объекта (сезонные изменения температуры окружающего воздуха и термобарические параметры процесса низкотемпературной сепарации, составов газа, температуры на входе УКПГ в бескомпрессорный и компрессорный периоды и др.);

- обеспечить согласование характеристик работы ТДА и другого технологического оборудования УКПГ (газоперекачивающие агрегаты дожимного компрессорного комплекса, сепарационного и теплообменного оборудования);

- представлять производителю четкие требования к гарантийным режимам, которые должны быть обеспечены и проверены при приемке и дальнейшей эксплуатации.

а) a)

а-

I sS ■}■

= о m _о

ê з

Ш -i—

-в- о f i 1.1

в) с)

< ш

в =

1 го о

S =5

0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 о,ДО 0,35 0,30 0,25 0,20

0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 8 0,40

С ГО

I 0,35

I. 0,30

Î 0,25

^ 0,20 1

Коэффициент охлаждения газа, "/эта

Gas cooling ratio, °/ata

— -'щ»

«'«"«С

б) b)

Коэффициент восстановления давления, эта/эта Coefficient of pressure recovery, ata/ata

S!

M 1

s ?

= о са ja

S S

1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2,05 Отношение давлений в турбине Pressure ratio in the turbine

0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30

г) d)

Í*

Коэффициент охлаждения газа, °/ата Gas cooling ratio, "/ata

Коэффициент восстановления давления, эта/эта Coefficient of pressure recovery, ata/ata

_ ГО

I s

S ■

о

I s

-e- ¡2

,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,8 Отношение давлений в турбине Pressure ratio in the turbine

0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20

1 Коэ<| фициект охлаждения газа, °/ата cooling ratio, "/ata

Ц Gas

■ 1 *

te*

коэффициент восстановления давления, ата/ата

Ч.

И" #■ . ■

.v.. •..к

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 Отношение давлений в турбине Pressure ratio in the turbine

iiii Коэффициент охлаждения газа, °/ата

» ♦ » • ♦ ♦ ♦ bas cooiin g rano, "/a ta

(оэффици Coefficient !нт восста of pressun новления recovery ♦ давления ata/ata

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

■

1,64 1,66 1,68 1,70 1,72 1,74 Отношение давлений в турбине Pressure ratio in the turbine

1,76 1,7B

Рис. 4. Эксплуатационные характеристики промысловых ТДА УКПГ: а) Бованенковского НГКМ (ГП-1, ГП-2); б) Заполярного НГКМ (1В, 2В); в) Юрхаровского НГКМ; г) ачимовской залежи

Fig. 4. Operational characteristics of field turbo-expanders of the gas processing units of the: a) Bovanenkovskoe oil and gas condensate field (GP-1, GP-2); b) Zapolyarnoe oil and gas condensate field (1V, 2V); c) Yurkharovskoe oil and gas condensate field; d) Achimov deposit

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

Методика оценки фактической эффективности промысловых ТДА также имеет свои особенности. В частности, применение традиционного показателя - КПД (политропного - для компрессора; адиабатного - для турбины) приводит к затруднениям, обусловленным погрешностями измерения температур и давлений в эксплуатационных условиях [8, 10].

Погрешность измерения температур обусловлена как метрологическими свойствами штатных средств измерения, так и конструктивными исполнениями термокарманов, а также сложностью достижения тепловой стабилизации режимов работы ТДА в эксплуатационных условиях [10].

Данные факторы оказывают интенсивное влияние, особенно при оценке эффективности сравнительно малорасходных и низконапорных и, как следствие, менее габаритных турбомашин, которыми являются промысловые ТДА. Массовые расходы через агрегат составляют 60-110 кг/с, а отношения давлений в турбине действующих ТДА - до 1,9-2,1 ед., в компрессоре - до 1,31-1,35 ед. Кроме того, рабочим телом является «сырой» неподготовленный газ, который конденсируется в проточной части установки, что усложняет задачу выбора метода расчета теплофизических свойств процессов расширения и сжатия.

По результатам анализа эксплуатационного опыта был сделан

вывод о целесообразности применения интегральных показателей эффективности ТДА для оценки эффективности их работы: коэффициент охлаждения газа в турбине К^ и коэффициент восстановления газа в компрессоре К{!дд, которые вычисляют по формулам:

AL

Кт =—L:

ТДА Д р

„ ДР.

КР =-

™A АР

Г -Г

вх вых

Рт - Рт •

вх вых

ПЦБК _ ПЦБК вых_вх

- рт _ рт '

вх вых

(1)

(2)

где Р, 7"втых - температура на входе и выходе турбины соответственно, °С (К); Рвтх, Рвтых - давление на входе и выходе турбины соответственно, МПа; Р"х, Р*ых - давление на входе и выходе компрессора соответственно, МПа.

Таблица 5. Экспертная оценка потребности в ТДА на промысловых УКПГ Table 5. Expert assessment of the need in turbo-expanders at the field gas processing units

Наименование объекта добычи (транспорта) газа Производительность ТДА (ожидаемая), млн м3/сут Потребность в ТДА (работа + резерв), ед.

Надым-Пур-Таз

Ямбургское НГКМ, валанжин* 8,5 7 (6 + 1)

П-ов Ямал

Харасавэйское ГКМ, апт-сеноман 11,5 10 (8 + 2)

Бованенковское НГКМ, неоком-юра 11,8 7 (6 + 1)

Харасавэйское ГКМ, неоком-юра 9,9 6 (5 + 1)

Крузенштернское ГМ, сеноман+ 11,8 10 (8 + 2)

Сев-Тамбейское 11,8 10 (8 + 2)

Тасийское 12,0 5 (4 + 1)

Малыгинское 11,5 7 (6 + 1)

Нейтинское, Арктическое и др. 10,5 8 (6 + 2)

Обская и Тазовская губы

Каменномысское 10,9 5 (4 + 1)

Северо-Каменномысское 10,5 5 (4 + 1)

Семаковское 10,1 5 (4 + 1)

Восточная Сибирь

Чаяндинское НГКМ 10,3 9 (7 + 2)

Ковыктинское ГКМ 10,1 12 (10 + 2)

Шельф о-ва Сахалин

Киринское ГКМ** 7,6 2 (2 + 0)

Южно-Киринское ГКМ** 11,0 5 (4 + 1)

Итого: ~113

Примечание. * - реновация турбохолодильной техники в связи с моральным и физическим износом и значительным превышением проектного срока службы. ** - вопрос о применении ТДА пока на решен.

Рекомендация по применению показателей К^ и К£дд для оценки технологической эффективности основана на значительно меньшей чувствительности к точности оценки термобарических показателей по сравнению с КПД. Так, в работе [8] показано, что погрешность в оценке температуры на выходе из турбины на 0,5° и давле -ния на 0,1 атм. приведет к погрешности оценки КПД на 2,0-6,6 %, в то время как коэффициенты К/ДА и Ктрпл - только на 1,1-2,4 %.

тда

Значения показателей технологической эффективности работы различных ТДА, применяющихся на Бованенковском,Заполярном, Юрхаровском и Ачимовском НГКМ, представлены на рис. 4. Из этих

данных следует, что применение турбодетандеров позволяет более эффективно охлаждать газ по сравнению со способами дросселирования. Так, в зависимости от состава газа, в ТДА обеспечивается охлаждение от 0,5 до 1,1° на 1 атм. и восстановление от 30 до 40 % от перепада давления, сработанного в турбине (более низкие значения соответствуют более «жирным» газам).

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Особенности эксплуатационных характеристик промысловых ТДА в основном обусловлены работой агрегата в составе сложной интерактивной технологической

системы. Эксплуатационные характеристики ТДА получают в ре -зультате «сложения» индивидуальных характеристик турбины и компрессора, при этом результат «сложения» зависит от положения СА турбины, фактической эффективности турбомашин и значений температур и давлений на входе в них. Промысловые технологические системы эксплуатируют в широком диапазоне изменения термобарических параметров, и построение совместных характеристик для ряда комбинаций термобарических параметров приводит к необходимости построения трехмерных поверхностей, целесообразность которых для практического применения пока не очевидна.

На практике удобно интегрировать индивидуальные характеристики компрессора и турбины в общие технологические модели промысла для проведения более детальных расчетов, а суммарные характеристики ТДА определять только для значений термобарических параметров, соответствующих гарантийным режимам, при проверке соответствия агрегата требованиям на его изготовление.

Использование детандеров, как правило, требует наличия сепара-ционного оборудования и фильтров на входе в турбомашины для обеспечения их защиты от жидко -сти,которая может образоваться при конденсации газа в трубопроводах технологической схемы и абразивных частиц. Вместе с тем, несмотря на наличие дополнительных элементов оборудования, использование ТДА технологически и экономически целесообразно [3, 4, 8]. Это обусловлено возможностью восстановления части давления, что позволяет снизить нагрузку на наиболее дорогой по стоимости объект промысла - дожимной компрессорный комплекс, что, в свою очередь, приводит к снижению затрат на обустройство месторождения. Можно констатировать, что на

месторождениях Крайнего Севера альтернативы турбохолодильной технике в настоящее время нет -технология на основе эффекта Джоуля - Томсона требует неприемлемо высокого давления на входе в установку НТС, а применение парокомпрессионных холодильных установок капиталоемко и сопровождается большими эксплуатационными затратами.

До 2036 г. потребуются ТДА для оснащения и реновации УКПГ месторождений п-ва Ямал, Обско-Тазовской губы, Восточной Сибири и шельфа о. Сахалин. Оценка потребности в ТДА на до -бычных объектах ПАО «Газпром» до 2035 г. составляет 113 шт. Про -гноз потребности представлен в табл. 5.

Существующий парк турбохолодильной техники ПАО «Газпром» к 2035 г. составит >200-210 ед. (см. табл. 5), т. е. количество ТДА практически удвоится. Выявленная тенденция указывает на необходимость создания методического и нормативного обеспечения для управления эффективностью применения ТДА. Задачи повышения эффективности и технологической надежности входят в перечень технологических приоритетов ПАО «Газпром» [11]. Решение обозначенных задач на практике должно обеспечиваться принятием квалифицированных решений на всех стадиях жизненного цикла агрегата (объекта) и, в первую очередь, на этапе проектирования.

Это подтверждается существующим опытом научного сопровождения эксплуатации промысловых ТДА, поэтому прежде всего необходимо регламентировать обязательную процедуру обоснования технологических требований на разработку тур-бохолодильного оборудования с учетом особенностей газовых промыслов, а также программ и методик его испытаний. Кроме этого, целесообразно разработать требования для унификации структуры и вида документов и

форм: структуры технологических требований на разработку ТДА, форм представления требований к гарантийным режимам и к заключению об испытаниях, формы для сбора данных о текущих эксплуатационных режимах ТДА и др. Данную задачу можно решить, используя опыт, накопленный в ходе взаимодействия специалистов ООО «Газпром ВНИИГАЗ», эксплуатационных служб и производителей оборудования.

Помимо корректной разработки исходных требований на проектирование не менее важным направлением повышения эффективности применения ТДА является совершенствование тур-бохолодильной техники.

На сегодня следует выделить следующие актуальные направления: увеличение отношения давлений в детандере (до 2,3 ед.); повышение стойкости к работе при жидкостных нагрузках (усиление магнитных опор, повышение эрозионной стойкости конструкции проточной части); повышение эффективности применения РСА(удобство и точность позиционирования, регулирование без снижения производительности).

Увеличение яТ и стойкости к жидкостным нагрузкам позволит обеспечить эффективную работу УКПГ даже в условиях высокой температуры окружающего воздуха при возможном снижении эффективности теплообменного и сепарационного оборудования, а также при наличии жидкости во входных потоках. Применение надежного РСА обеспечит гибкое и оперативное регулирование производительности технологических линий.

В настоящее время на Бова-ненковском НГКМ специалистами АО «Турбохолод», ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и ООО «Газпром добыча Надым» осуществляется доводка опытно-промышленного образца с отношением давлений 2,3 ед., рассматриваются варианты совершенствования РСА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Турбохолодильная техника широко применятся в системах подготовки, транспорта и переработки природного газа. Проведенный анализ показал, что в нефтегазовой отрасли в настоящее время наибольшее количество ТДА применяется на промысловых объектах для подготовки газа к транспорту.

К настоящему моменту получен положительный опыт эксплуатации турбохолодильного оборудования для подготовки газа на месторождениях Крайнего Севера ПАО «Газпром» в количестве более 140 ед. Турбо-детандеры эффективно используются в составе промысловых объектов на месторождениях, где конденсатные факторы пластовых газов изменятся от 2 до 300 г/м3. В основном применяются агрегаты отечественного производства.

Существующие модификации промысловых ТДА эксплуатируются при рабочих давлениях до 11,0 МПа, они обеспечивают отношения давлений в турбине от 1,1 до 2,1 ед. и температуры НТС на уровне -30...-40 °С и оснащены ЦБК в качестве полезной нагрузки турбины. Коэффициент удельного охлаждения турбоде-тандера составляет 0,5-1,1 °/ата, при этом коэффициент восстановления давления составляет 0,3-0,4 ата/ата, его величина в основном обусловлена двумя факторами - совершенством агрегата и составом добываемого газа.

В перспективе потребуются ТДА для оснащения новых и реконструкции действующих УКПГ. Проведенные оценки показали, что потребность в ТДА существует на УКПГ месторождений п-ова Ямал, Восточной Сибири, сухопутных объектов шельфовых месторождений о. Сахалин и др. Парк промысловых ТДА, эксплуатирующихся на территории РФ, к 2036 г. может увеличиться в два раза и будет включать >200 ед. ТДА.

Увеличение парка ТДА требует разработки нормативных документов для управления качеством эксплуатации на всех стадиях жизненного цикла (заказ, поставка, эксплуатация), унификации форм представления требований на разработку агрегатов, учета эксплуатационных режимов и др. Необходимо регламентировать процедуры обоснования технологических требований на разработку турбохолодильного оборудования для промысловых

систем, проведение и обработку результатов испытаний. Это целесообразно сделать на основе результатов, полученных в ходе научного сопровождения эксплуатации промысловых ТДА начиная с 1987 г.

Основными направлениями совершенствования конструкции ТДА являются увеличение несущей способности опорных узлов, повышение стойкости к эрозионному износу проточной части, совершенствование механизма

управления СА и повышение технологичности конструкции. Наиболее перспективны в настоящее время агрегаты со следующими конструктивными особенностями: осевая турбина,вертикальное расположение ротора, магнитные опоры с повышенной несущей способностью. Для размещения вертикальных ТДА требуется меньшая площадь, и они более технологичны в обслуживании по сравнению с горизонтальными модификациями. ■

ЛИТЕРАТУРА

1. Maddox J.R.N., Bretz K.E. Turboexpander Applications in Natural Gas Processing // Journal of Petroleum Technology. 1976. № 5. 611-613.

2. Breitbatch H., Metz. D., Weiske S., Spinner G. Application and Design of the eBooster from BorgWarner [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.turbos.bwauto.com/tools/download.aspx?t=document&r=842&d=1052 (дата обращения: 13.11.2018).

3. Язик А.В. Турбодетандеры в системах промысловой подготовки газа. М.: Недра, 1977. 173 с.

4. Кубанов А.Н., Хетагуров В.А., Дедученко Ф.М. Перспективы использования турбохолодильной техники на объектах добычи газа // Газовая промышленность. 2004. № 12. С. 65-68.

5. Обзор современных конструкций турбодетандерных генераторов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://stc-mtt.ru/wp-content/ uploads/2011/05/0000x.pdf (дата обращения: 13.11.2018).

6. Оленев Н.Ф. Применение энергетических турбодетандерных установок мощностью до 5 кВт в составе технологического оборудования газораспределительных станций // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2014. № 12. С. 46-47.

7. Кубанов А.Н., Козлов А.В., Прокопов А.В., Цацулина Т.С. Применение турбохолодильной техники на УКПГ: компрессор-детандер или детандер-компрессор // Наука и техника в газовой промышленности. 2011. № 3. С. 55-62.

8. Кубанов А.Н., Воронцов М.А., Федулов Д.М., Глазунов В.Ю. Технологический анализ работы турбохолодильной техники на начальном этапе эксплуатации УКПГ-2 Бованенковского НГКМ // Научн.-техн. сб. «Вести газовой науки». 2013. № 4. С. 82-87.

9. Воронцов М.А., Федулов Д.М., Грачев А.С. и др. Методический подход для расчетного исследования процессов промысловой низкотемпературной сепарации с турбодетандерами // Научн.-техн. сб. «Вести газовой науки». 2016. № 2 (26). С. 105-111.

10. Галеркин Ю.Б., Кожухов Ю.В., Соколов К.К. Приближенный метод оценки эффективности низконапорных центробежных компрессоров при предварительных испытаниях // Компрессорная техника и пневматика. 2010. № 1. С. 9-14.

11. Паспорт Программы инновационного развития ПАО «Газпром» до 2025 года [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.gazprom.ru/f/ posts/97/653302/prir-passport-2016-11.pdf (дата обращения: 13.11.2018).

12. Агрегат турбодетандерный производительностью 7-11 млн м5/сут [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.turbokholod.ru/content/ c7-page1.html (дата обращения: 13.11.2018).

13. Турбодетандерная техника и нефтегазопромысловое оборудование [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.turbogaz.com.ua/about/ project.html (дата обращения: 13.11.2018).

14. Агрегат турбодетандерный производительностью 18-25 млн м5/сут [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.turbokholod.ru/content/ c8-page1.html (дата обращения: 13.11.2018).

REFERENCES

1. Maddox J.R.N., Bretz K.E. Turboexpander Applications in Natural Gas Processing. Journal of Petroleum Technology, 1976, No. 5, P. 611-613.

2. Breitbatch H., Metz. D., Weiske S., Spinner G. Application and Design of the eBooster from BorgWarner [Electronic source]. Access mode: http://www.turbos.bwauto.com/tools/download.aspx?t=document&r=842&d=1052 (access date: November 13, 2018).

3. Yazik A.V. Turboexpanders in Field Gas Treatment Systems. Moscow, Nedra, 1977, 173 p. (In Russian)

4. Kubanov A.N., Khetagurov V.A., Deduchenko F.M. Prospects for the Use of Turbo-Refrigerating Equipment at Gas Production Facilities. Gazovaya promyshlennost' = Gas Industry, 2004, No. 12, P. 65-68. (In Russian)

5. Review of Modern Designs of Turbo-Expanders [Electronic source]. Access mode: http://stc-mtt.ru/wp-content/uploads/2011/05/0000x.pdf (access date: November 13, 2018). (In Russian)

6. Olenev N.F. Use of Power Turbine Expanders with a Capacity of up to 5 kW as a Part of the Technological Equipment of Gas Distribution Stations. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory, 2014, No. 12, P. 46-47. (In Russian)

7. Kubanov A.N., Kozlov A.V., Prokopov A.V., Tsatsulina T.S. Use of Turbo-Expanders on the Gas Processing Units: Compressor-Expander or Expander-Compressor. Nauka i tekhnika v gazovoy promyshlennosti = Science and Technology in Gas Industry, 2011, No. 3, P. 55-62. (In Russian)

8. Kubanov A.N., Vorontsov M.A., Fedulov D.M., Glazunov V.Yu. Technological Analysis of the Operation of Turbo-Expanders at the Initial Stage

of Operation of the Gas Processing Unit 2 of the Bovanenkovskoe Oil and Gas Condensate Field. Nauchno-tekhnicheskiy sbornik "Vesti gazovoy nauki" = Scientific and Technical Collection "News of Gas Industry", 2013, No. 4, P. 82-87. (In Russian)

9. Vorontsov M.A., Fedulov D.M., Grachev A.S. et al. Methodical Approach for the Computational Study of Processes of Low-Temperature Field Separation with Turboexpanders. Nauchno-tekhnicheskiy sbornik "Vesti gazovoy nauki" = Scientific and Technical Collection "News of Gas Industry", 2016, No. 2 (26), P. 105-111. (In Russian)

10. Galerkin Yu.B., Kozhukhov Yu.V., Sokolov K.K. Approximate Method for Assessment of the Effectiveness of Low-Pressure Centrifugal Compressors during Preliminary Testing. Kompressornaya tekhnika i pnevmatika = Compressor Technology and Pneumatics, 2010, No. 1, P. 9-14. (In Russian)

11. Passport of the Innovative Development Program of Gazprom PJSC until 2025 [Electronic source] Access mode: http://www.gazprom.ru/f/ posts/97/653302/prir-passport-2016-11.pdf (access date: November 13, 2018). (In Russian)

12. Turbo-Expander with a Capacity of 7-11 million m5 per day [Electronic source]. Access mode: http://www.turbokholod.ru/content/c7-page1.html (access date: November 13, 2018). (In Russian)

13. Turbo-Expander and Oil and Gas Field Equipment [Electronic source]. Access mode: http://www.turbogaz.com.ua/about/project.html (access date: November 13, 2018). (In Russian)

14. Turbo-Expander with a Capacity of 18-25 million m5 per day [Electronic source]. Access mode: http://www.turbokholod.ru/content/c8-page1.html (access date: November 13, 2018). (In Russian)