Повышение качества ремонта турбодетандерных агрегатов, установленных на Бованенковском НГКМ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕМОНТА ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ АГРЕГАТОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА БОВАНЕНКОВСКОМ НГКМ

УДК 622.691.4

С.Н. Меньшиков, ООО «Газпром добыча Надым» (Надым, РФ) С.С. Кильдияров, ООО «Газпром добыча Надым»,

kildiyarov@nadym-dobycha.gazprom.ru

В.В. Моисеев, ООО «Газпром добыча Надым» В.Н. Полозов, ООО «Газпром добыча Надым» Б.Г. Кувытченко, ООО «Газпром добыча Надым»

В статье рассмотрены результаты совместной работы специалистов ООО «Газпром добыча Надым» и АО «Газпром центрэнергогаз» по повышению эффективности ремонтов турбодетандерных агрегатов, установленных на Бованенковском нефтегазоконденсатном месторождении (п-ов Ямал, Российская Федерация). Проведенные мероприятия по повышению качества ремонта обеспечили работоспособность турбодетандерных агрегатов в соответствии с техническими условиями, а также позволили расширить рабочий диапазон их работы.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТУРБОДЕТАНДЕРНЫЙ АГРЕГАТ, РЕМОНТ, БОВАНЕНКОВСКОЕ НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ, КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА.

Степень расширения турбины

Рис. 1. Проектные и фактические режимы работы ТДА

В настоящий момент на Бованенковском нефтегазоконденсатном месторождении (НГКМ) эксплуатируется 30 турбодетандерных агрегатов (ТДА) типа АДКГ-9-11-УХЛ4, работающих по схеме «детандер - компрессор», производства АО «Турбохолод». Эксплуатируемые ТДА различаются в конструктивном исполнении: 10 ед. - «быстроходные» (номинальная частота вращения nном = 13 200 об/мин, диаметр рабочего колеса компрессора D кк = 390 мм); 20 ед. - «тихоходные» (nPKK = 11 750 об/мин, D = 410 мм).

v ном ркк '

Данные агрегаты были введены в эксплуатацию начиная с 20122014 гг. Суммарная наработка ТДА с начала эксплуатации по состоянию на 17.07.2018 г. составляет 753 458 ч, при этом максимальная наработка отдельного агрегата -35 781 ч, минимальная - 14 103 ч.

Ежегодно в летний период на Бованенковском НГКМ происходит ограничение добычных возможностей в связи с установлением аномально высокой температуры

атмосферного воздуха, отличной от проектной. Так, фактическая средняя температура в июле 2017 г. составила 14,85 °С, в июле 2016 г. - 18,05 °С. Фактическая максимальная температура в июле 2016 г. достигла 30,07 °С, при том что проектная средняя температура июля составляет 11,2 °С.

В этих условиях вследствие непроектного режима работы оборудования [1, 2] возникает

дефицит холодопроизводитель-ности системы низкотемпературной сепарации (НТС), что создает риск необеспечения нормативных требований к температурам точек росы товарного газа, а также к температуре его магистрального транспорта. Кардинальным решением проблемы выступает замена сменной проточной части (СПЧ) ТДА на более холодопроизводи-тельные с максимальной степенью

0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60

170 160

| = 150 11 140 130

га =

I"4! 120 110 100

6) Ё

0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,5 0,51 0,52 0,53 Характеристическое число турбины

| Экстр еа^ 9П0ЛЯЦИЯ |

,3 9<Р

/

1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Степень расширения турбины ТДА

2,2

50

II 45 |

40

N з5

ж ГО

I § 30 >1 ё

1.1 25

I 3 I 20

0,90

го а и и 0,85

а. с г а 0,00

эс 0,75

л X 1— го \о 0,70

5 0,65

в О э

Р о «ц

3

110 115 120 125 130 135 140 145 150 Объемный расход на входе, м3/мин

110 115 120 125 130 135 140 145 150 Объемный расход на входе, м3/мин

Рис. 2. Эталонные характеристики ТДА: а) зависимость адиабатного КПД турбины ТДА от характеристического числа турбины; б) зависимость изоэнтропийной и внутренней работы компрессора ТДА от объемного расхода на входе; в) зависимость параметра расхода турбины ТДА от степени расширения турбины ТДА; г) зависимость адиабатного КПД компрессора ТДА от объемного расхода на входе

расширения турбины Пт 2,3. Максимальная степень расширения турбины выбиралась исходя из максимального перепада давлений между ДКС-2 (первая по ходу газа) и ДКС-1 (вторая по ходу газа) и эффективности турбины и компрессора ТДА. В настоящее время проводятся испытания опытной сменной проточной части с Пт 2,3 производства АО «Турбохолод» с улучшенными технологическими параметрами, повышенной холодопроизводительностью и усовершенствованной конструкцией согласно новому техническому заданию с указанием четырех различных режимов работы установки компрессорной подготовки газа (УКПГ): «Холод», «Зима», «Лето» и «Жара» со степенью расширения турбины 1,9; 1,8; 2,0 и 2,3 соответственно.

На рис. 1 приведены фактические режимы работы ТДА в летний период 2017 г. и проектные режимы модернизированной СПЧ.

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РЕМОНТА

Перед разработкой мероприятий по повышению эффективности ремонта ТДА было необходимо разработать критерии оценки качества ремонта. Основным критерием качества ремонта является улучшение или приведение к первоначальному техническому состоянию агрегата. Для определения его технического состояния по газодинамическим параметрам было необходимо получить эталонные газодинамические характеристики ТДА.

Предоставленные заводом-изготовителем характеристики ТДА зависят от режима работы. Для оценки фактического технического состояния этих данных недостаточно. Проведены комплексные газодинамические, вибрационные обследования в соответствии с разработанной коллективом авторов Временной

программой - методикой проведения испытаний ТДА [3].

Характеристики (рис. 2, здесь: Н. - внутренняя работа компрессора ТДА, кДж/(кгК); Н - изоэн-тропийная работа компрессора ТДА, кДж/(кгК)) используются для определения технического состояния ТДА на переменных режимах. Пунктирной линией показана экстраполированная часть зависимости, использованная при построении совмещенной газодинамической характеристики (ГДХ).

Определение технического состояния ТДА необходимо проводить на минимальном угле открытия РРСА регулируемого соплового аппарата (РСА) в соответствии с руководством по эксплуатации ТДА, что минимизирует погрешность расчета фактического технического состояния.

Специалистами Общества на основе СТО Газпром добыча Надым 025-2010 [4], показавшего высокую эффективность на до-

Номенклатура относительных единичных показателей качества ремонта ТДА

Показатель качества

1. Перемещение по оси радиальной ТДА, мкм

2. Виброперемещение ротора ТДА, мкм

3. Ток усилителя мощности ТДА, А

4. Коэффициент технического состояния турбины ТДА по КПД

5. Коэффициент технического состояния турбины ТДА по параметру расхода

6. Коэффициент технического состояния компрессора ТДА по КПД

7. Радиальные зазоры лабиринтных уплотнений и радиальные зазоры рабочего колеса турбины ТДА, мм

8. Радиальные зазоры страховочных подшипников, мм

9. Параллельность корпуса опоры турбины и среднего корпуса ТДА, мм

10. Средний разряд бригады, выполняющей ремонтные работы

Расчетная формула относительного единичного показателя качества

П. П.

'1 = 1,5-0,5 ОГГ

Коэффициент. весомости т

П, Пг

= 1,5-0,5 пЬг.

п, п,

'3 = 1,5-0,5 ГОТ

'4 п 'п

д4 Д.р4

' = ^ '5 п„5пд,5

' =

'6 Пвп .

дб д.рБ

'7 П,

'8 =

Пдв + Ада-|Пд8-П8|

' = '9 П„

= 1,5-0,5 ^

1,5

Примечание

П., П . -

' д-р'

максимальное значение из измеренных в штатных точках

П., Пдр. - среднее значение коэффициентов технического состояния на трех режимах работы ТДА

П7 - среднее значение радиальных зазоров по рабочим

и направляющим лопаткам после ремонта

Дд8 - допустимое отклонение

П10 -

фактический средний разряд ремонтной бригады

Примечание. П. - послеремонтное значение единичного показателя качества;

П

доремонтное значение единичного показателя качества; Пд. - допустимое

значение единичного показателя качества - уровень технического состояния показателя качества (оговоренный в ТУ на ремонт и НТД), при котором обеспечивается заданный уровень надежности ТДА и эксплуатационных издержек.

жимной компрессорной станции Надым-Пур-Тазовского р-на, разработан СТО Газпром добыча На -дым по оценке качества ремонта ТДА [5]. Его основными новшествами являются номенклатура и порядок проведения расчета относительных единичных пока-

технического состояния по параметрам, которые не зависят от режима работы ТДА, что позволяет оценивать его техническое состояние на переменных режимах (см. табл.).

Коэффициент технического состояния турбины ТДА по КПД вычисляется по формуле:

Кт =

(1)

<

где т^ - адиабатный КПД турбины ТДА; г|° - номинальный адиабатный кПд турбины ТДА.

Коэффициент технического состояния турбины ТДА по параметру расхода вычисляется по формуле:

П°

Ке = ф (2)

"в

где П° - номинальный параметр расхода турбины ТДА, м210"2,5; Пе - параметр расхода турбины ТД А, м2.10-25.

Коэффициент технического состояния компрессора ТДА по КПД:

161

(3)

зателей качества ремонта ТДА, определяемых по максимальным значениям измеряемых параметров до и после ремонта во всем рабочем диапазоне ТДА, включая максимальную частоту вращения. Кроме того, предложены формулы расчета коэффициентов

где г|К - адиабатный КПД компрессора ТДА; - номинальный адиабатный кПд компрессора ТДА.

По эталонным ГДХ построена совмещенная газодинамическая характеристика «тихоходного» ТДА с различными углами установки РСА (рис. 3, здесь: Пк - степень повышения давления компрессора ТДА; КПДк -адиабатный коэффициент полезного действия компрессора ТДА; КПДт - адиабатный коэффициент полезного действия турбины ТДА), соответствующих режимам «Зима», «Лето» и «Жара» по аналогии с [6]. Эта характеристика отражает ширину возможного диапазона работы ТДА, включая максимальный перепад температур 52 °С. Исходя из этого можно сделать следующие выводы: СПЧ удовлетворяет требованиям технических условий на ТДА при работе на номинальном режиме; регулирование поворотного со-

5

5

4

3

4

4

3

3

5

'

10

Рис. 3. Совмещенная ГДХ ТДА, приведенная к фактическим условиям работы; условия приведения для режимов: «Зима»

(Р'2к = 6,32 МПа; Т1к = -4 °С; Т1т = -1 °С); «Лето» (Р'2к = 6,32 МПа; Т1к = 15 °С; Т1т = 10 °С); «Жара» (Р'2к = 6,00 МПа; Т1к = 30 °С; Т1т = 25 °С)

17000 16000 15000 14000 13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000

чГ

№ 2

¿3 в

1,75 1,65 1,55 1,45 1,35 1,25 1,15 1,05 0,95 0,85 0,75 0,65

«Зима»

«Лето»

«Жара»

РРИ=27,3° Ррсд = 26,0° Рри=24,3°

тда - _ — —

"к о'-"* —

- пн - п тда

<0»

^ тда и ^ т

- -

т кпд кпд

кпд, _ кпд, „

1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,1

Степень расширения турбины

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

2,20

2,30

2,40

-У "в £

н

га ^

I £

I— а_

I ™ I 1"

л I—

ё 3

Проточено глубиной 0,70 мм от касания резцом

Установлена прокладка 0,80 мм

Проточено глубиной 0,90 мм от касания резцом

Проточено глубиной 0,50 мм

от касания резцом

Проточено глубиной 0,20 мм от касания резцом

Рис. 4. Обеспечение соосности корпусных деталей ТДА

плового аппарата позволяет обеспечить рабочие режимы УКПГ при повышенных температурах окружающего воздуха.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящее время техническое обслуживание и ремонт ТДА проводятся по договору с АО «Газпром центрэнергогаз» при непосредственном участии персонала Общества. АО «Турбохолод» осуществляет консультационное сопровождение.

Возможность расширения рабочего диапазона установленных на Бованенковском НГКМ ТДА ставило перед специалистами Общества и АО «Газпром центрэнергогаз» более широкие задачи - не только по повышению эффективности ремонта, но и по обеспечению устойчивости работы ТДА в более широком диапазоне рабочих режимов. С этой целью специалистами ООО «Газпром добыча Надым» разработаны и внедрены следующие мероприятия по повышению эффективности ремонтов ТДА: обеспечение соосности корпусных деталей СПЧ ТДА; обеспечение равномерности площади проходного сечения РСА; исключение дисбаланса ротора ТДА; обеспечение посадки

колеса компрессора и думмисной втулки; уменьшение минимального угла раскрытия РСА.

В целях снижения уровня тока усилителя мощности при взвешивании ротора проводится предложенная проверка соосности базовых поверхностей среднего корпуса СПЧ и поверхностей уста -новки магнитных подшипников в соответствии с предлагаемым чертежом (рис. 4) за счет токарной обработки поверхностей, обозна-

ченных цифрой 1 на ремонтных средних корпусах СПЧ ТДА.

Для снижения уровня тока уси -лителя мощности при работе ТДА проводится предложенная проверка неравномерности площади проходного сечения горла канала на выходе РСА в соответствии с предлагаемой схемой (рис. 5). Устранение неравномерности площади проходного сечения РСА происходит за счет перестановки лопаток с наибольшим и наимень-

Рис. 5. Схема регулируемого соплового аппарата: а) до регулировки РСА; б) после регулировки РСА

шим проходным сечением. Пример восстановления равномерности проходного сечения на РСА с наибольшей неравномерностью приведен на рис. 5.

При анализе вибросостояния парка ТДА выявлена корреляция перемещения и виброперемещения. Сначала было сделано предположение, что балансировка ротора выполняется недостаточно качественно. Но расширенное виброобследование 10 ТДА показало, что причиной повышенных

уровней виброперемещения со стороны турбины является дисбаланс упорного диска, появляющийся в процессе сборки СПЧ, а со стороны компрессора вызван недостаточным натягом колеса компрессора, что подтверждают данные спектры (рис. 6).

На рис. 7 представлена зависимость амплитуды оборотной составляющей ротора ТДА со сто -роны турбины и компрессора. До частоты вращения 8000 об/мин со стороны турбины наблюда-

ется типичный для дисбаланса одновременный рост оборотной составляющей виброперемещения и оборотов. На частоте вращения в диапазоне от 8300 до 11 000 об/мин наблюдается резкий рост оборотной составляющей виброперемещения со стороны компрессора, причиной которого, вероятно, является смещение колеса компрессора вследствие недостаточного натяга.

В целях недопущения данных дефектов специалистами ООО «Газпром добыча Надым» разработана и согласована с заводом-изготовителем технологическая карта «Разборка, сборка ротора перед балансировкой турбодетандерного агрегата АДКГ-9-11-УХЛ4» (рис. 8) с указанием допустимых геометрических размеров, боев и посадок. Соблюдение натягов втулки упорного диска позволило устранить дисбаланс при сборке СПЧ. И соблюдение натягов колеса компрессора привело к значительному снижению оборотной составляющей виброперемещения со стороны компрессора.

Предложенное и согласованное с заводом-изготовителем умень-

1 • ■ ■

А - 0,5 мкм 10 Гц - 600 об/мин

■ май^кь^—*.....- _ А

Частота, Гц

А - 16,2 мкм 187 Гц - 11 220 об/мин

Частота, Гц

А - 0,13 мкм 10 Гц - 600 об/мин

стота, Гц

А - 26,7 мкм 187 Гц - 1 1 220 об/мин

ж!

Частота, Гц

Рис. 6. Анализ дефектов ротора ТДА: а) спектр виброперемещения со стороны турбины; б) спектр виброперемещения со стороны компрессора

шение значения минимального угла раскрытия РСА относительно регламентированного в РЭ позволило достигнуть режима «Лето» со степенью расширения турбины 2,0, перепадом температуры на турбине 42 °С на частоте вращения ротора 13 500 об/мин,что обеспечило работоспособность УКПГ при температуре наружного воздуха 25 °С без ограничения добычных возможностей газового промысла.

Максимальная частота вращения ротора «тихоходных» ТДА согласно техническим условиям составляет 15 000 об/мин. Ограничение частоты вращения ротора ТДА 13 500 об/мин связанно с повышенным уровнем (до предупредительной уставки общего уровня вибрации) субгармонической вибрации на частоте 10-30 Гц (рис. 9). Аналогичные за -бросы вибрации ранее ограничивали работу ТДА на 12 000 об/мин. Причина повышенной субгармонической вибрации в настоящий момент не выявлена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные мероприятия по повышению качества ремонта не только обеспечили работоспособность ТДА в соответствии с техническими условиями, но также позволили расширить рабочий диапазон работы ТДА, установленных на Бованенковском НГКМ. Разработанный СТО дает возможность определять качество ремонта ТДА на фактических режимах работы УКПГ. Полученные эталонные ГДХ позволяют рассчитывать перспективные режимы работы ТДА, в соответствии с которыми определяют добычные возможности. ■

Рис. 7. Зависимость оборотной составляющей вибрации ротора ТДА со стороны турбины и компрессора

Рис. 8. Виды дефектов ротора ТДА

Рис. 9. Спектр вибрации «тихоходного» ТДА

ЛИТЕРАТУРА

1. Регламент диагностического обслуживания газоперекачивающих агрегатов. М.: ИТЦ «Оргтехдиагностика», 2001. 134 с.

2. Турбодетандерные агрегаты. Порядок проведения технического обслуживания и ремонта. М.: ООО «Газпромцентрремонт», ПАО «Газпром», 2016. 72 с.

3. Временная программа - методика проведения комплексных газодинамических, вибрационных обследований турбодетандерных агрегатов на объекте «Бованенковское НГКМ» 100.0000.100-1 ПМ. ООО «Газпром добыча Надым», 2016. 29 с.

4. СТО Газпром добыча Надым 025-2010. Положение об оценке качества ремонта газоперекачивающих агрегатов, установленных на дожимных компрессорных станциях ООО «Газпром добыча Надым». Надым, 2010. 29 с.

5. СТО Газпром добыча Надым 104-2018. Положение об оценке качества ремонта турбодетандерных агрегатов, эксплуатируемых на установках комплексной подготовки газа ООО «Газпром добыча Надым». Надым, 2018. 38 с.

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