Повышение эффективности транспорта газа путем применения современных высокоэффективных сменных проточных частей центробежных компрессоров Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАНСПОРТА ГАЗА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СМЕННЫХ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ

УДК 622.691.4.052.012

B.Г. Никитин, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ) И.А. Яценко, ПАО «Газпром»

А.О. Прокопец, ООО «Газпром трансгаз Югорск» (Югорск, РФ),

aprokopec@ttg.gazprom.ru

А.Н. Пошелюзный, ООО «Газпром трансгаз Югорск»

C.В. Русинов, ООО «Газпром трансгаз Югорск»

А.Ю. Перевозчиков, ООО «Газпром трансгаз Югорск»

О.В. Комаров, к.т.н., ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет

им. первого Президента России Б.Н. Ельцина» (Екатеринбург, РФ), o.v.komarov@urfu.ru

Ю.Н. Писарев, АО «Искра-Авигаз» (Пермь, РФ), j.pisarev.spb@avigaz.ru

В статье описывается опыт внедрения и эксплуатации сменных проточных частей (СПЧ) для центробежных компрессоров (ЦБК) НЦ-16/76 газотранспортного предприятия ООО «Газпром трансгаз Югорск». Сформулированы сложившиеся условия эксплуатации газотранспортной системы (ГТС) ООО «Газпром трансгаз Югорск» и обозначены предпосылки необходимости разработки и внедрения современных сПч с номинальной степенью повышения давления 1,35. Проведен сравнительный анализ штатных СПЧ НЦ-16/76 производства Сумского машиностроительного производственного объединения им. М.В. Фрунзе и СПЧ-16/76-1,35 производства АО «Искра-Авигаз».

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР, СМЕННЫЕ ПРОТОЧНЫЕ ЧАСТИ, ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ, ГАЗОТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА, ШТАТНЫЕ ПРОТОЧНЫЕ ЧАСТИ, КПД.

Газотурбинный газоперекачивающий агрегат ГПА-Ц-16, созданный в начале 1980-х гг. Сумским машиностроительным производственным объединением им. М.В. Фрунзе, является наиболее используемым газоперекачивающим агрегатом (ГПА) ГТС ООО «Газпром трансгаз Югорск» (35 % от общего количества и более 40 % от установленной мощности), выполняющим более 60 % всей товаротранспортной работы. Поэтому применение системных унифицированных решений для данного типа ГПА производит наибольший эффект, позволяю-

щий проводить поэтапное снижение энергоемкости транспорта газа в ГТС ООО «Газпром трансгаз Югорск».

Основу многониточной ГТС Общества составляют газопроводные системы DN1400 с рабочим давлением 7,35 МПа. При работе газопровода с производительностью, близкой к номинальной (95-100 млн нм3/сут), потери на трение в трубопроводе вызывают снижение давления газа на участке длиной 100 км с 7,35 до 5,2 МПа. Следующая по ходу компрессорная станция(КС)обеспечивает повышение давления

поступающего газа с 5,2 МПа до рабочего - 7,35 МПа. Исходя из этого все ГПА оснащены ЦБК, рассчитанными на степень повышения давления в 1,44.

Эффективность процесса сжатия газа в компрессоре определяется политропным коэффициентом полезного действия (КПД), характеризующим, какая доля подведенной к компрессору мощности преобразована в эффективную работу сжатия.

Необходимо отметить, что для достижения максимальной эффективности при проектировании ЦБК в 1970-1990-е гг. произ-

Г?

СЭГАЗОРОМ

СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ

водители стремились повысить КПД ЦБК путем установки выходного диффузора лопаточного типа, положительные качества которого проявляются только в узком диапазоне, приближенном к номинальному (расчетному) режиму работы ЦБК. Негативные особенности такой конструкции выходного диффузора проявляются при существенном отклонении параметров работы ЦБК по расходу и степени сжатия. К примеру, при работе на номинальном режиме КПД ЦБК с лопаточным диффузором (ЛД) может составлять 84-85 %, но при снижении степени сжатия в ЦБК с 1,44 до 1,35 КПД уменьшается до 79-80 %.

Еще одним существенным недостатком, не позволяющим эффективно эксплуатировать ГПА-Ц-16, является несоответствие располагаемой мощности приводного двигателя НК-16СТ и потребляемой мощности проектного компрессора НЦ-16/76-1,44. Фактическая эксплуатационная мощность приводного двигателя НК-16СТ, эксплуатируемого в составе штатной комплектации ГПА-Ц-16, не превышает 14,5-15,0 МВт, при этом потребляемая мощность ЦБК составляет близкие к проектным 16 МВт. Недостаток мощности двигателя не позволяет достичь номинальной частоты вращения ротора силовой турбины, что обусловливает потери по КПД как приводного двигателя, так и ЦБК.

Указанные недостатки становятся все более ощутимыми по мере снижения объемов транспорта газа, поскольку снижение производительности газопровода вызывает уменьшение потребной степени сжатия. Таким образом, ЦБК ГТС ООО «Газпром трансгаз Югорск», рассчитанные на степень сжатия 1,44, в течение всего календарного периода работают на степени сжатия 1,30-1,35, что обусловливает потери в КПД ЦБК с номинальных 84 до 79-80 %.

Г2 Й2

ВлЛ

\\

5

% Я1

Рис. 1. Радиальное сечение лопатки: Я1 - радиус кривизны лопатки на входе; Я2 - радиус кривизны лопатки на выходе; г1 - радиус скругления лопатки на входе; г2 - радиус скругления лопатки на входе; 5 - толщина лопатки

Рис. 3. Профиль лопатки 1-го ряда ОНА

Работа ЦБК с пониженным КПД приводит к увеличению расхода топливного газа на единицу политропной работы сжатия и, как следствие, к большему числу работающих агрегатов. Увеличенные затраты на собственные нужды сказываются на показателях эффективности транспорта газа.

ООО «Газпром трансгаз Югорск» на базе собственного анализа статистических данных и исследований, проведенных совместно с ООО «Газпром ВНИИГАЗ», была разработана комплексная программа замены штатных проточных частей в компрессорах НЦ-16/76-1,44 на

диффузора

Рис. 4. Профиль лопатки 2-го ряда ОНА: D6 - диаметр выхода из первого яруса; D6' - диаметр входа во второй ярус; гвых - радиус скругления лопатки на выходе; у - угол заострения лопаток на выходе; 5 - толщина лопатки

СПЧ-16/76-1,35 в целях повышения эффективности работы ГПА и оптимизации параметров компрессоров на рабочих режимах.

Указанная программа предусматривает последовательную замену СПЧ 16/76-1,44 на СПЧ 16/76-1,35 на 144 ГПА-Ц-16 с приоритетностью, учитывающей степень загрузки компрессорных цехов в годовом цикле. При этом замена СПЧ предусмотрена только на трех из пяти ГПА компрессорного цеха, что позволит обеспечить максимальную загрузку ГПА в годовом цикле.

Предложения по оптимизации работы ГТС с заменой СПЧ поступали и ранее. В Обще-

Сравнение основных параметров СПЧ-16/76-1,35 АО «Искра-Авигаз» со штатными СПЧ НЦ-16/76-1,44

Наименование параметра

Производительность объемная, отнесенная к начальным условиям, м3/мин

СПЧ- СПЧ НЦ- СПЧ НЦ- СПЧ- СПЧ НЦ- СПЧ НЦ- СПЧ- СПЧ НЦ- СПЧ НЦ-

16/76-1,35 16/76-1,44, 16/76-1,44, 16/76-1,35 16/76-1,44, 16/76-1,44, 16/76-1,35 16/76-1,44, 16/76-1,44,

АО «Искра- модифика- модифика- АО «Искра- модифика- модифика- АО «Искра- модифика- модифика-

Авигаз» ция 2 (5300) ция 1 (4900) Авигаз» ция 2 (5300) ция 1 (4900) Авигаз» ция 2 (5300) ция 1 (4900)

455

420

397

Давление газа начальное, абсолютное, МПа

5,56

5,58

5,62

Температура газа начальная, °С

15

Степень сжатия

1,34

1,335

1,325

Давление газа конечное, абсолютное, МПа

7,45

Политропный КПД, %

85,5

79,1

83,9

85,4

80,6

84,4

85,2

82,1

84,6

Частота

вращения ротора, об/мин

5300

5230

4680

5150

5010

4560

5000

4840

4430

Мощность внутренняя, МВт

15,1

16,3

15,4

13,8

14,6

13,9

12,8

13,3

12,9

Относительный эффективный КПД двигателя, %

98,1

97,5

96,0

97,5

94,0

94,5

94,5

92,5

РТ1

РТ2

РТ3

стве накоплен опыт замен, а также эксплуатации СПЧ ЦБК НЦ-16/76 с номинальной степенью сжатия 1,35 от различных производителей, включая ОАО «Казанькомпрессормаш», НПО «Искра», ПАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе». Данные СПЧ устанавливались в ГПА как при реконструкции, так и в ходе капитального ремонта ГПА.

Совершенствование методов проектирования и технологии изготовления СПЧ ЦБК, имевшее место в последние несколько лет, позволило выйти на новый уровень газодинамического совершенства конструкций и,соответственно, политропных КПД (не менее 87 %), а также обеспечить пологую характеристику КПД компрессора, в том числе за счет отказа от ЛД.

В целях реализации задач, поставленных ООО «Газпром

трансгаз Югорск», были разработаны и направлены в адрес потенциальных исполнителей технические требования на разработку и изготовление СПЧ для ЦБК НЦ-16/76 на отношение давлений 1,35 и оптимизированные для низконапорного транспорта газа с политропным КПД на уровне 87 %. В ходе дальнейшей работы был организован открытый запрос предложений на поставку шести комплектов СПЧ, по результатам которого в 2015 г. был заключен договор на поставку комплектов СПЧ с АО «Искра-Авигаз».

Первая партия СПЧ реализо-вывалась в варианте рабочих колес с цилиндрической формой лопаток (РК-20). При этом для достижения наибольшего КПД и пологой газодинамической характеристики в данном проекте заложены следующие газодина-

мические решения, являющиеся отличительной особенностью данного проекта:

• профиль лопаток рабочих колес рассчитан с оптимизацией нагрузки по их длине. Пример радиального сечения такой лопатки приведен на рис. 1;

• применен безлопаточный диффузор (БЛД) оптимальной протяженности с отношением D4/D2 = 1,6 (рис. 2);

• обратный направляющий аппарат (ОНА) - двухрядный, с числом лопаток в первом ряду 24 шт., во втором - 12 шт.;

• профиль лопатки первого ряда ОНА рассчитан исходя из равномерного изменения скорости по сечениям, в результате чего получен профиль, представленный на рис. 3;

• лопатки второго яруса - тонкие спрямляющие пластины (рис. 4).

Рис. 5. Сменная проточная часть СПЧ НЦ-16/76-1,35

Рис. 6. Сборка СПЧ НЦ-16/76-1,35 в производственном комплексе АО «Искра-Авигаз»

Разработанная по представленному варианту СПЧ (рис. 5) изготовлена (рис. 6), испытана на стенде и поставлена в количестве 6 шт. на КС «Ново-Ивдельская» Ивдельского ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Югорск». По результатам стендовых испытаний СПЧ показала соответствие заявленных параметров требованиям ТЗ, о чем свидетельствует заключение ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (рис. 7).

Поставленные образцы СПЧ установлены в корпусе НЦ-16/76 в составе агрегатов ГПА-Ц-16 и запущены в эксплуатацию. За время монтажа и пусконаладочных работ ООО «Газпром трансгаз Югорск» совместно с Югорским филиалом АО «Газпром центр-энергогаз» и АО «Искра-Авигаз» были успешно решены вопросы, связанные с повышенной вибрацией ротора, трубопроводной обвязки ЦБК и повышенным расходом уплотнительного масла. Выявлен и устранен ряд конструктивных и технологических недостатков узлов СПЧ, в том числе торцевых уплотнений производства НПЦ «Анод». На начало февраля 2017 г. СПЧ имеют следующие наработки: ГПА ст. № 51 - 331 ч; № 52 - 78 ч; № 54 - 4442 ч; № 61 - 1722 ч; № 62 - 1610 ч; № 64 - 1085 ч.

В таблице приведены основные параметры НЦ-16/76 с СПЧ НЦ-16/76-1,35 («Искра-Авигаз») в рабочих точках(РТ)согласно данным испытаний ГПА (рис. 8) в сравнении со штатными СПЧ НЦ-16/76-1,44 (модификация 2 и модификация 1), газодинамические характеристики которых приведены на рис. 9 и 10, соответственно.

Приведенные в таблице данные со значениями политроп-ного КПД на рабочих режимах (РТ1, РТ2, РТ3) подтверждают экономическую обоснованность замены СПЧ. Особенно убедительно это выглядит в сравнении со штатным вариантом, рассчитанным на номинальную

частоту вращения 5300 об/мин. Разница в КПД на некоторых режимах доходит до 7,5 %, а по потребляемой мощности -до 1,6 МВт.

Другой вариант штатного компрессора (модификация 1 с номинальной частотой вращения

4900 об/мин) показывает большую экономичность по поли-тропному КПД, однако в связи с низким значением номинальной частоты вращения применение данной СПЧ приводит к снижению относительного эффективного КПД двигателя НК-16СТ,

С! 0,90 С

«Номинальный режим по ТЗ о Номинальный режим по рез. ПСИ Зимний режим по ТЗ Зимний режим по рез. ПСИ ■ Летний режим по ТЗ □ Летний режим по рез. ПСИ

450 500 550 600

Объемный расход на входе м3/мин

Рис. 7. Сравнение газодинамической характеристики СПЧ-16/76-1,35 (АО «Искра-Авигаз»), полученной по результатам испытаний, с требованиями технического задания ТЗ ИАГ.002.НЦ-16/76-14 (из заключения ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)

Рис. 8. Газодинамические характеристики НЦ-16/76 с СПЧ-16/76-1,35 (АО «Искра-Авигаз») ГПА ст. № 51 (1 февраля 2017 г.).

Расчетные величины: коэффициент сжимаемости Z = 0,893; газовая постоянная Я = 509,8 Дж/(кг-К); температура газа на входе Тн = 288,15 К; номинальная частота вращения пном= 5300 об/мин

наименьшее значение которого доходит до 92,5 %, т. е. абсолютное уменьшается до 25 %.

В настоящее время выпущена конструкторская документация второго варианта СПЧ с применением осерадиальных

рабочих колес с лопатками пространственной формы (ОРК-3D) по газодинамическому проекту, выполненному Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого (СПбПУ) (лаборатория «Газо-

вая динамика турбомашин», проф. Ю.Б. Галеркин).

Конструкция СПЧ в корпусе НЦ-16/76-1,44 с осерадиальными рабочими колесами (ОРК) представлена на рис. 11.

В рамках проектирования СПЧ с ОРК были выполнены поверочные газодинамические расчеты ОРК.

Целью поверочного газодинамического расчета осерадиаль-ного колеса 1-й ступени являлось определение его эффективности и отработка методики расчета ОРК с помощью программного комплекса ANSYS CFX (визуализация течения газа в рабочем колесе 1-й ступени приведена на рис. 12).

На основании анализа результатов численного исследования на номинальном режиме работы в программном комплексе ANSYS CFX сделан вывод о плавном характере распределения скоростей и угла потока по длине лопатки, что соответствует безотрывному характеру течения

т

СЭГАЗОРОМ

СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ

1,65 1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10

0,75 0,80 0,85 д1рн, (млн м3/сут)/ата

з

Рис. 9. Газодинамические характеристики компрессора НЦ-16/76-1,44.

Расчетные величины: показатель адиабаты к = 1,312; коэффициент сжимаемости Z = 0,9; газовая постоянная Я = 507,9 Дж/(кг-К); температура газа на входе Тн = 288 К; номинальная частота вращения пном = 5300 об/мин

з 1,60

1,55

1,50

1,45

1,40

1,35

1,30

1,25

1,20

1,15

150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550 570 590 610 630

Q, м3/мин

0,25

0,30

0,35

ч-н-

0,40

ч-К-0,45

0,50

-Н-

0,55

ч-И-0,60

ч-К

0,65

0,70

-Н-ч-0,75

0,80

+

+

+

0,85 0,90 0,95

д1рн, (млн м3/сут)/ата

Рис. 10. Газодинамические характеристики компрессора НЦ-16/76-1,44.

Расчетные величины: показатель адиабаты к = 1,312; коэффициент сжимаемости Z = 0,901; газовая постоянная Я = 507,9 Дж/(кг-К); температура газа на входе Тн = 288 К; номинальная частота вращения пном = 4900 об/мин

Рис. 11. Сменная проточная часть СПЧ НЦ-16/76-1.35 с ОРК-3й

Рис. 12. Визуализация течения газа в рабочем колесе

и подтверждает высокую эффективность рабочего колеса.

Для проверки заложенных в проекте характеристик выпущена конструкторская документация на модельную ступень СИАГ010. НЦ16/76.122СП, которая после изготовления будет испытана на стенде Пермского национального

исследовательского политехнического университета.

Эй-модель экспериментальной ступени с ОРК представлена на рис. 13.

Третьим вариантом является разработанная конструкторская документация на дополнительный альтернативный вариант

двухступенчатой СПЧ с рабочими колесами, имеющими лопатки цилиндрической формы (РК-2й) по газодинамическому проекту, выполненному СПбПУ (лаборатория «Газовая динамика турбомашин», проф. Ю.Б. Галеркин).

Четвертым проработанным вариантом является конструкция СПЧ в 3-ступенчатом исполнении (рис. 14), позволяющая, согласно результатам расчетных исследований, получить наибольший эффект от применения ОРК. В этом варианте может быть достигнут политропный КПД не менее 88 %.

Данный вариант СПЧ требует более глубокой модернизации компрессора, включающей замену крышек и корпусов подшипников.

Также АО «Искра-Авигаз» по предложению ООО «Газпром трансгаз Югорск» проводило конструктивную проработку ЦБК для пилотного проекта ГПА-32 с ГТУ-32П, планируемого к реализации в рамках реконструкции КЦ-7 на КС «Таежная». Целью являлась оценка возможных вариантов создания одноступенчатого ЦБК в конструктивном исполнении с осевым входом газа и политроп-ным КПД не ниже 90 % (рис. 15).

Указанное исполнение ЦБК было выбрано исходя из информации, изложенной в статье [1], где представлены результаты модельных испытаний ступени для компрессора мощностью 32 МВт с частотой вращения ротора 5500 об/мин.

По результатам данной проработки определено, что разработка СПЧ в одноступенчатом варианте с осевым входом для модернизации существующих на КС компрессоров, таких как НЦ-16/76 и других типов, может быть перспективной, однако требует повышения частоты вращения силовой турбины приводного двигателя ГПА.

Более консервативным вариантом достижения максимальной экономичности, как уже было показано, является 3-ступенча-тый вариант проточной части с

СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ

Рис. 13. Экспериментальная ступень с ОРК

заменой крышек и корпусов подшипников.

В качестве примера подобного решения можно привести компрессор STC-SV(12-3-P) компании Siemens - MAN с номинальной частотой вращения 5300 об/мин, установленный в составе ГПА с приводом от ГТУ-16П на КС «Волховская» газопровода «Северный поток». Результаты газодинамических испытаний данного компрессора подтвердили политропный КПД на уровне 87 %.

В целях расчета показателей эффективности проекта замены штатных проточных частей компрессоров на современные модификации СПЧ произведен расчет возможного положительного денежного потока, образующегося в результате экономии топливного газа, используемого на собственные нужды ГПА.

Граничными условиями расчета являются:

• эксплуатация СПЧ 16/76-1,35 на режимах с политропным КПД 85-86 %;

• 5%-е превышение КПД СПЧ 16/76-1,35 по сравнению с штатной

Рис. 15. Компрессор мощностью 32 МВт с осевым входом газа

СПЧ, обеспечивающее часовую экономию топливного газа в размере 314 нм3/ч (для одного ГПА);

• повышение производительности СПЧ 16/76-1,35 в среднем на 7 %, что соответствует экономии топлива 439 нм3/ч в пересчете на один ГПА;

• ежегодная наработка каждой установленной СПЧ - не менее 6000 ч.

Таким образом, совокупная экономия топливного газа от замены каждой штатной проточной части на СПЧ 16/76-1,35 составит 12 %, или 753 нм3/ч. ■

ЛИТЕРАТУРА

1. Галеркин Ю.Б., Рекстин А.Ф., Солдатова К.В., Дроздов А.А. Высокоэффективный одноступенчатый полнонапорный компрессор ГПА (газодинамический проект, результаты модельных испытаний) // Компрессорная техника и пневматика. 2014. № 8. С. 19-24.