ОПЫТ УВЕЛИЧЕНИЯ РЕСУРСА РАБОТЫ МАСЛА ТП-22С НА ТУРБОАГРЕГАТАХ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.753

https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-1-2-77-81

ОПЫТ УВЕЛИЧЕНИЯ РЕСУРСА РАБОТЫ МАСЛА ТП-22С НА ТУРБОАГРЕГАТАХ

EXPERIENCE OF INCREASING THE WORK RESOURCE OF TP-22S OIL ON TURBINE UNITS

Мичурин А.А., Иванов В.М., Шалыгин А.В.

Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, Россия

ORCID: https://orcid.org/0009-0008-1271-2239, E-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0009-0001-6880-3446,

E-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4146-0076,

E-mail: [email protected]

Резюме: Одним из основных параметров, от которых зависит работоспособность и ресурс газоперекачивающих агрегатов, является качество и стабильность характеристик смазочного масла. Поэтому особое внимание должно уделяться процессу его очистки и рабочим условиям системы смазки. Снижение расхода масла, в свою очередь, способствует экономии ресурсов, позволяя снизить затраты на поддержание работоспособности агрегата. Эти задачи являются взаимосвязанными, и решать их необходимо комплексно. В данной статье будет рассмотрено несколько технологических решений, реализованных на компрессорной станции «Северная» Северного ЛПУ МГ, являющегося филиалом ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», позволивших значительно снизить удельный расход масла, повысить его качество и поддерживать его в течении продолжительного времени.

Ключевые слова: компрессорная станция, газоперекачивающий агрегат, система маслоснабжения, ресурс масла, аппарат воздушного охлаждения, термостат, электростатическая очистка, поляризация, система суфлирования маслобака, избыточное давление, электровентилятор.

Для цитирования: Мичурин А.А., Иванов В.М., Шалыгин А.В. Опыт увеличения ресурса работы масла ТП-22С на турбоагрегатах // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 1-2. С. 77-81.

D0I:10.24412/0131-4270-2024-1-2-77-81

Michurin Aleksandr A., Ivanov Vitaliy M., Shalygin Aleksey V.

Saint Petersburg Mining University, 199106, Saint Petersburg, Russia

ORCID: https://orcid.org/0009-0008-1271-2239, E-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0009-0001-6880-3446,

E-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4146-0076,

E-mail: [email protected]

Abstract: One of the main parameters on which the performance and resource of the gas pumping unit depends is the quality and stability of the characteristics of the lubricating oil. Therefore, special attention should be paid to the cleaning process and the operating conditions of the lubrication system. Reducing oil consumption, in turn, helps to save resources, allowing you to reduce the cost of maintaining the unit's operability. These tasks are interrelated, and they need to be solved comprehensively. This article will consider several technological solutions implemented at the "Severnaya" compressor station of the Northern line pipe operation center, which is a branch of "Gazprom Transgaz St. Petersburg" LLC, which significantly reduced the specific lubricating oil consumption, improved its quality and maintained it for a long time.

Keywords: compressor station, gas pumping unit, lubrication system, oil resource, air-cooling unit, thermostat, electrostatic cleaning, polarization, oil tank venting system, overpressure, electric fan.

For citation: Michurin A.A., Ivanov V.M., Shalygin A.V. EXPERIENCE OF INCREASING THE WORK RESOURCE OF TP-22S OIL ON TURBINE UNITS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no. 1-2, pp. 77-81.

DOI:10.24412/0131-4270-2024-1-2-77-81

Введение

В газотурбинной установке (ГТУ) масло используется для охлаждения и смазки подшипников роторов, смазки редукторов, шарниров и осей вспомогательных механизмов, а также является рабочим телом в системах управления.

В процессе своей жизнедеятельности масло наполняется различными загрязнителями (вода, продукты старения и коррозии, металлические фрагменты) и теряет свои эксплуатационные свойства. Эволюция продуктов старения масла выглядит таким образом: сперва растворимые в масле; затем полимеризация и скопление; в конечном счете нерастворимые (поведение подобно загрязнителям). Свободные частицы, включая продукты окисления, являются поляризованными. В результате они прилипают к внутренней части масляной системы. Это ведет к формированию осадка во внутренней части системы. Для турбоагрегатов это опасно повреждениями и отказами в системах смазки, уплотнения вала, регулирования, а также разрушением и преждевременным износом подшипников.

Основные проблемы турбин от старения масла:

- шлам, образующийся в масле по причине присутствия в нем продуктов окисления, попадает в систему проходных фильтров на линии смазки турбин, что может привести к останову турбины на время замены фильтров. После замены новые фильтры также быстро придут в негодность, это повлечет за собой не только расходы по замене, но и простой оборудования. Продукты окисления накапливаются на дне маслобака и могут забивать фильтр, что приводит к катастрофическому отказу;

- заедание и липкость клапанов - проблема, вызванная продуктами окисления, которые осаждаются на клапане в течение длительного времени, постепенно создавая на клапане слой, похожий на лак. Уменьшение зазоров приводит к неисправности;

- слои загрязнения, образующиеся при насыщении масла продуктами окисления, представляют наибольшую опасность для подвижных поверхностей, зазор между которыми зачастую составляет несколько микрон. Например,

• 2024

77

на подшипниках подобные загрязнения могут привести к высокому трению и износу [1].

На компрессорных станциях ПАО «Газпром» химические лаборатории систематически проводят анализ основных показателей масел: вязкость, температура вспышки, кислотное число, плотность.

Вязкость - одна из важнейших характеристик масел, она во многом обеспечивает требуемые пределы трения в механизмах, эффективность охлаждения и уплотнения отдельных узлов, влияет на экстремальные условия эксплуатации механизмов, облегчая или затрудняя запуск.

Температура вспышки является качественной оценкой масла на наличие в нем фракций дистиллятных топлив (легких углеводородов) и в некоторых случаях - легких продуктов термического и термоокислительного разложения масла. При данной температуре масло выделяет количество паров, достаточное для образования воспламеняющейся смеси с воздухом.

Кислотное число измеряется в количестве миллиграммов гидроксида калия (KOH), необходимых для нейтрализации кислот, содержащихся в 1 г масла. По данному показателю судят о количестве свободных жирных кислот.

Плотность масла влияет на одну из главных характеристик масла - его кинематическую вязкость. Чем выше плотность, тем гуще смазочная жидкость. У масел со слишком высокой или слишком низкой плотностью есть ряд недостатков. Густая смазка хуже прокачивается по масляным каналам и плохо проникает в зазоры, что усложняет вращение коленвала. Такое явление наблюдается при запуске двигателя в мороз. Использование очень вязкого масла -причина высокого расхода топлива и усиленного нага-рообразования. Применение масла с низкой плотностью тоже может вызвать ряд проблем: смазка быстро стекает в картер, не успев оставить на деталях защитную пленку; жидкое масло выгорает и загрязняет силовой агрегат. Вследствие слишком активной циркуляции оно выводит из строя масляные фильтры [2].

Одним из самых распространенных масел, используемых на оборудовании ПАО «Газпром», является масло ТП-22С (ТУ 38 101821-83). Данное масло вырабатывают из парафи-нистых нефтей с применением очистки селективным растворителем. Содержит присадки, улучшающие антиокислительные, деэмульгирующие и антикоррозионные свойства. ТП-22С имеет ряд недостатков. При превышении температуры более +60°C ускоряется процесс окисления масла, снижается ресурс его работы. Температура застывания данного масла -15°C.

В 1995 году при покупке агрегатов Taurus 60S производства компании Solar (США) в ходе заключения контракта было согласовано использование отечественного турбинного масла ТП-22С, хотя оно не по всем характеристикам соответствовало требованиям производителя. Последующая глубокая модернизация систем смазки агрегатов, проведенная на компрессорной станции (КС) «Северная» в первые годы эксплуатации, позволила устранить все проблемы, обусловленные невысокими характеристиками масла. Модернизация состояла из трех этапов:

- изменение температурного диапазона;

- модернизация системы суфлирования маслобаков;

- применение электростатической очистки масла.

Изменение температурного диапазона масла

Отечественное масло ТП-22С используется на КС «Северная» на агрегатах Taurus 60S фирмы Solar с начала их эксплуатации в 1998 году. Первые проблемы проявили себя зимой. При отрицательной наружной температуре менее -14 происходило застывание масла в аппарате воздушного охлаждения (АВО), что делало запуск газоперекачивающего агрегата (ГПА) невозможным. Эта ситуация потребовала проведения усовершенствования системы охлаждения. В результате в ходе данного этапа модернизации был реализован подогрев внешней обвязки. Маслопроводы, идущие к вентилятору АВО, снабдили греющей лентой и покрыли теплоизоляцией. В корпусе вентустановки был смонтирован тепловентилятор мощностью 5 кВт, который перед пуском ГПА в зимнее время на несколько минут включается для подогрева трубных пучков. Также для исключения застывания масла в трубном пучке АВО при отрицательных температурах были произведены изменения, обеспечивающие слив масла в маслобак при останове агрегата. Еще одним измененным параметром была температура, поддерживаемая в масляном коллекторе. Заводская уставка поддерживалась термостатом в диапазоне +60 + +70°С, а это с точки зрения долговечности эксплуатации является превышением для данного типа масла. С целью снижения рабочей температуры была произведена замена температурных элементов термостатов с температурой открытия на 10°С ниже, что привело к изменению температурного диапазона масляного коллектора до уровня 50-60°С.

Модернизация системы суфлирования маслобаков

Исходя из проектного решения компании Solar, возможны варианты работы маслобака с избыточным давлением или с разряжением. В ситуации разряжения, которое создается с помощью вентустановки, снижается расход масла и уменьшается риск возможных утечек, однако неизбежно с этим появляется проблема загрязнения масла, так как происходит подсос неочищенного воздуха продувки укрытия ГПА через всевозможные мелкие зазоры и неплотности в обвязке маслобака.

Избыточное давление появляется в верхней зоне маслобака по причине использования установки конденсации масляных паров на трубопроводе суфлирования, соединяющей маслобак с атмосферой. При прохождении газов и масляных паров из маслобака через фильтроэлементы этой установки создается перепад давления.

Избыточное давление, с одной стороны, решает проблему загрязнения масла из потока воздуха продувки, но с другой - повышает расход масла и приводит к замасливанию всего отсека. Со временем на элементах обвязки маслобаков ГПА компании Solar появляются микроскопические неплотности уплотнений различных соединений маслоси-стемы, устранение которых требует серьезных трудозатрат в связи с затрудненным доступом к этим соединениям. Помимо выхода масла капельным путем, смесь газов из верхней части маслобака, насыщенная масляными парами, также из неплотностей соединений маслосистемы попадает в поток воздуха продувки и контактирует с поверхностью металла, что приводит к конденсации - появлению масляной пленки на металлических деталях агрегата.

Агрегаты Taurus 60S, принятые в использование на КС «Северная», работали с избыточным давлением до 100 мм в. ст. в маслобаке. С целью повышения пожарной безопасности и снижения расхода масла на КС «Северная» была проведена модернизация системы суфлирования до уровня нулевого давления в маслобаке. Для устранения избыточного давления газов и паров масла в верхней зоне маслобаков были применены взрывобезопасные вентиляторы среднего давления FUA-1800B\SP отечественного производства («СовПлим», Санкт-Петербург). Их установка на выходном фланце устройств улавливания масляных паров позволила устранить избыточное давление в маслобаках и с помощью системы автоматического регулирования поддерживать его в пределах ±2 мм в. ст. на всех режимах работы ГТУ. Требуемая для этого скорость вращения вентиляторов поддерживается с помощью частотного регулирования. Датчик дифференциального давления измеряет перепад внутри маслобака над поверхностью масла и в отсеке. Токовый сигнал с его выхода поступает на аналоговые входные модули стойки «Турботроник». Далее процессор в соответствии с доработанной программой формирует сигнал управления частотным регулятором для поддержания нулевого перепада давления внутри и снаружи маслобака [3].

Норма удельного расхода масла по газотурбинному двигателю (ГТД) Taurus 60S, установленная производителем, составляла 0,3 кг/ч. Результатом проведенной модернизации стало снижение расхода масла до 0,04 кг/ч.

Электростатическая очистка масла

Компания Solar (США) не устанавливает периодичности замены масла на ГПА Taurus 60S, основной критерий необходимости замены масла - ухудшение его показателей по результатам химических анализов. Химическая лаборатория Северного ЛПУМГ ежемесячно обрабатывает пробы с маслобаков агрегатов, раз в три месяца контролирует параметры масла из бочек и резервуаров хранения горюче-смазочных материалов (ГСМ), а также анализирует показатели партии поступающего масла. Контроль воды и

механических примесей производится ежедневно на работающих агрегатах.

С 2003 года на КС «Северная» началась пробная эксплуатация установки электростатической очистки ELC-R50SP. Это небольшой переносной чистящий масло модуль, который прокачивает масло из маслобака через камеру электростатической очистки и возвращает его в маслобак в непрерывном цикле. Во время очистки из маслобака непрерывно забирается и возвращается 34 л масла в минуту непосредственно в процессе работы ГТУ.

В основе работы установки электростатической очистки лежит принцип поляризации с величиной напряжения 10 кВ. Включения всех размеров под действием электрического поля движутся в направлении электрода с противоположным зарядом и собираются на поверхности специального чистящего элемента. Специальная форма чистящего элемента устанавливает зоны повышенного градиента напряженности и обеспечивает турбулентные потоки масла в этих зонах (рис. 1). Все твердые включения с потоками масла проходят зоны повышенного градиента и оседают на чистящем элементе. Электростатическая очистка масла не чувствительна к размерам включений, так как все частицы независимо от размера заряжены в результате естественных процессов, например, трения в потоке. Все жидкие добавки в масле сохраняются, поскольку электростатическая сила действует только на твердые включения. Для удаления свободной воды из масла применяется специальный фильтр [4].

Установка KLEENTEK применяется газокомпрессорной службой (ГКС) КС «Северная» на агрегатах, находящихся в работе. Оптимальное время наработки на каждом из агрегатов в течение календарного года составляет не менее 1000 ч.

Для оценки эффективности очистки рассмотрим отчеты химической лаборатории Северного ЛПУМГ в отношении состояния масла на ГПА № 4, а также количество часов наработки за период с 2003 по 2008 г. (табл. 1).

Из данных табл. 2 периода 2003-2008 годов видно, что картина изменения параметров масла после начала использования установки KLEENTEK на ГПА № 4 однотипна:

■ Рис. 1. Чистящий элемент

Направление потока масла

Электрод

Электрод

Турбулентные зоны

Таблица 1

Координаты трассы нефтепровода из базы данных ГРАНС

Наработка, ч Дата сброса счетчика

Сезон 2003/04 г.

1441 С 10.10.2003 по 11.12.2003

Сезон 2004/05 г.

1100 С 07.12.2004 по 22.01.2005

Сезон 2005/06 г.

524 С 03.04.2006 по 25.04.2006

Сезон 2006/07г.

214 С 18.10.2006 по 27.10.2006

Сезон 2007/08 г.

1100+122=1322 С 11.12.2007 по 30.04.2008

Сезон 2008/09 г.

848 + 264 + 724 = 1836 С 23.04.2009 по 09.10.2009

1-2

2 02 4

79

Кислотное Реакция число, мг КОН водной на 1 г масла вытяжки

Температура Плотность, вспышки, °C г/см3

Таблица 2

Часы наработки установки KLEENTEK на ГПА № 4

Наименование Вязкость, Содержание Содержание

показателей мм2/с воды мехпримесей

Показатели по ТУ38.101821-83

20,0-23,0

Отсутствие

Отсутствие

0,06

Нейтральная

186

0,900

Предельно допустимые значения при эксплуатации 20,0-28,75 более 28 Следы (менее двух щелчков) Следы (менее 5 штук) 0,005% масс 0,5 Более 0,6 Кислая Менее 167 0,900

Исходные данные апрель1999 г. 21,0 Отс. Отс. 0,052 Нейтральная 194 0,870

Доочистки ноябрь 2002 г. Before 21,02 Отс. Отс. 0,049 Нейтральная 191 0,870

Май 2003 г. 20,25 Отс. Отс. 0,038 Нейтральная 200 0,870

Январь 2004 г. 20,37 Отс. Отс. 0,033 Нейтральная 198 0,870

Февраль 2005 г. 20,17 Отс. Отс. 0,035 Нейтральная 197 0,870

Февраль 2006 г. 19,9 Отс. Отс. 0,04 Нейтральная 194 0,871

Февраль 2007 г. 20,17 Отс. Отс. 0,04 Нейтральная 193 0,871

Январь 2008 г. 20,34 Отс. Отс. 0,049 Нейтральная 193 0,870

*

i - '

//

Рис. 2. Воздействие электростатической очистки на

температуру вспышки паров масла в системе смазки ГПА Таурус 60S

225

220

215

^ 210 !5

I 205 £

* 200

^ 195

Г

£ 190 -

185

180 ,-,-,-,-,-,-,-,-,

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Годы

---ГПА № 1 ---ГПА № 3 ......... ГПА № 2

-----ГПА № 4 - норма отбраковки (менее 186)

Рис. 3. Воздействие электростатической очистки на вязкость масла в системе смазки ГПА Таурус 60S

28,5

27,5

26,5

25,5

24,5

о

о к со 23,5

03

22,5

21,5

20,5

19,5

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Годы

---ГПА № 1 ---ГПА № 3 ......... ГПА № 2

— ГПА № 4

норма отбраковки (менее 28,0)

значительное улучшение показателей вязкости, температуры вспышки, кислотного числа. Идентичная ситуация наблюдается на других агрегатах.

Рассмотрим далее более общую статистику в виде графиков на рис. 2-5, отражающих изменения основных показателей масла по всем четырем агрегатам с 2009 по 2016 год.

В ходе капремонтов в 2009-2010 году была произведена замена масла на всех четырех агрегатах. Новое масло, как показали лабораторные анализы, уступало по своим характеристикам маслу, отработавшему 10 лет в агрегатах.

В целом с 2009 по 2016 год показатели были стабильными. Наибольшее отличие результатов электростатической

очистки первого и второго периодов - по температуре вспышки. Средний показатель температуры вспышки масла ГПА имеет тенденцию к улучшению (см. рис. 2).

Рассмотрим наиболее свежие показатели - данные 2022 года. Согласно ежемесячным отчетам 2022 года, по всем четырем агрегатам значение вязкости было в пределах 17,85-21,19 мм2/с, температуры вспышки - 213-229 °С, кислотного числа - 0,03-0,07 мг КОН на 1 г масла, плотности -872,6-874,6 г/см3. С 2010 года полная замена масла ни на од н ом агрегате не проводилась. Судя по последним приве-де н ным данным, масло имеет отличные показатели, необход имость его замены не предвидится.

Рис. 4. Воздействие электростатической очистки на

кислотность масла в системе смазки ГПА Таурус 60S

0,62

0,52

2 0,42

0,32

0,22

Рис. 5. Воздействие электростатической очистки на плотность масла в системе смазки ГПА Таурус 60S

0,88

0,875

0,87

£ 0,865

0,86

0,855

^ 0,12

0,02

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Годы

---ГПА № 1 ---ГПА № 3 ......... ГПА № 2

-----ГПА № 4 - норма отбраковки (менее 0,6)

0,85 ,-,-,-,-,-,-,-,—

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Годы

---ГПА № 1---ГПА № 3 ......... ГПА № 2.....ГПА № 4

Заключение

Усовершенствования, проведенные на КС «Северная», позволили более чем в семь раз снизить удельный расход масла в агрегатах и обеспечить работу агрегатов без замены

(30 тыс. моточасов) или до 13 лет эксплуатации. Опыт эксплуатации агрегатов Таурус 60S подтвердил возможность использования недорогого минерального масла с невысокими эксплуатационными характеристиками в течение про-

масла в диапазоне времени между капитальными ремонтами должительного времени после проведенной модернизации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Для чего нужно очищать масло? OilCare - презентация URL: http://www.myshared.ru/slide/652853/?ysclid=lfgu ghp38o684441599 (дата обращения 12.03.2024).

2. Остриков В.В., Нагорнов С.А., Клейменов О.А. и др. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости: учеб. пособие. Тамбов. Изд-во ТГТУ, 2008. 304 с.

3. Иванов В.М, Данилкин В.Н. Усовершенствование системы суфлирования маслобаков турбоагрегатов Таурус 60С компании Solar // Газотурбинные технологии. 2005. № 7. С. 34.

4. Масло маслу рознь. URL: http://friess-online.ru/fileadmin/user_upload/pdfs/Oelreinigung/Friess_EFC_tech_data_ ru.pdf (дата обращения 14.03.2024).

5. Фокин Г.А., Забелин Н.А., Иванов В.М., Смирнов М.В. Комплексные энерго- и ресурсосберегающие решения, применяемые на объектах ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» // Газовая промышленность. 2018. № 6. С. 24-25.

REFERENCES

1. Dlya chego nuzhno ochishchaf maslo? OilCare - prezentatsiya (Why do you need to purify oil? OilCare - presentation) Available at: http://www.myshared.ru/slide/652853/?ysclid=lfgughp38o684441599 (accessed 12 March 2024).

2. Ostrikov V.V., Nagornov S.A., Kleymenov O.A. Toplivo, smazochnyye materialy i tekhnicheskiye zhidkosti [Fuel, lubricants and technical fluids]. Tambov, TGTU Publ., 2008. 304 p.

3. Ivanov V.M, Danilkin V.N. Improvement of the venting system for oil tanks of Solar Taurus 60C turbine units. Gazoturbinnyye tekhnologii, 2005, no. 7, p. 34 (In Russian).

4. Maslo maslu rozn' (Oil differs from oil) Available at: http://friess-online.ru/fileadmin/user_upload/pdfs/Oelreinigung/ Friess_EFC_tech_data_ru.pdf (accessed 14 March 2024).

5. Fokin G.A., Zabelin N.A., Ivanov V.M., Smirnov M.V. Integrated energy- and resource-saving solutions used at facilities of Gazprom transgaz St. Petersburg LLC. Gazovaya promyshlennost, 2018, no. 6, pp. 24-25 (In Russian).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Мичурин Александр Алексеевич, студент, кафедра разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, Санкт-Петербургский горный университет.

Иванов Виталий Михайлович, ветеран ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург».

Шалыгин Алексей Викторович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Санкт-Петербургский горный университет.

Aleksandr A. Michurin, Student, Department of Development and Operation of Oil and Gas Fields, St. Petersburg Mining University. Vitaliy M. Ivanov, Veteran LLC Gazprom transgaz St. Petersburg. Aleksey V. Shalygin, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, St. Petersburg Mining University.

1-2 • 2024

81