CC BY
29
УДК 621.6: 621.515
А.Д. Ваняшов, A.D. Vanyashov
Ю.Е. Венгрус, Y.E. Vengrus
А.А. Гетта, A.A. Getta, e-mail: adv@omgtu.ru
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНОГО ОБЛИКА ЦЕНТРОБЕЖНОГО
ОДНОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА С КОНСОЛЬНЫМ РОТОРОМ
НА ОТНОШЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ 1,35 ДЛЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ МОЩНОСТНОГО РЯДА 6,3-32 МВТ
DEVELOPMENT OF DESIGN OF SINGLE-STAGE CENTRIFUGAL COMPRESSOR WITH CANTILEVER ROTOR FOR A PRESSURE RATIO OF 1,35 FOR 6,3 - 32 MW GAS COMPRESSOR UNITS
Рассмотрены конструктивные особенности одноступенчатого центробежного компрессора с консольным ротором, приведены результаты расчета конструкции при отношении давлений 1,35 и определены параметры для газоперекачивающих агрегатов мощностного ряда 6,3 - 32 МВт.
The article describes design features of single-stage centrifugal compressors with cantilever rotor, the results of structural analysis with respect to the pressure ratio of 1,35. Also 6,3-32 MW gas compressor units parameters are defined.
Ключевые слова: центробежный компрессор, отношение давлений, газоперекачивающий агрегат, консольный ротор, осерадиальное рабочее колесо
Keywords: centrifugal compressor, pressure ratio, gas compressor unit, cantilever rotor, impeller axial-radial Реальные условия эксплуатации газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на линейных компрессорных станциях (ЛКС), связанные со снижением производительности магистральных газопроводов (МГ), формируют гидравлические режимы транспорта газа, приводящие к процессу компримирования газа c пониженным отношением давлений. Вместо характерного для центробежных компрессоров (ЦБК) ЛКС номинального отношения давлений 1,44, фактическая потребность составляет около 1,35-1,4 [1, 2]. При этом рабочая точка на поле газодинамических характеристик (ГДХ) ЦБК располагается в правой части (снижен полит-ропный КПД) на пониженных оборотах. Рассогласование гидравлических режимов МГ, ГДХ ЦБК и дроссельных характеристик газотурбинной установки (ГТУ) приводит к перерасходу топливного газа.
68
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Для оценки эффективности режимов транспорта газа выполнен расчетно-теоретический анализ эффективности работы ГПА с ГТУ в классе мощности 16 МВт АЛ-31СТ и ПС-90ГП2С и ЦБК различных типов, отличающихся номинальным отношением давлений (1,44; 1,4; 1,35) применительно к различным режимах работы ЛКС, в частности, с учетом сезонной неравномерности объемов транспорта газа. В качестве критерия эффективности использован удельный расход топливного газа [3-7]. Анализ результатов показал, что качественная картина эффективности ГПА с ЦБК того или иного типа для различных расчетных периодов не имеет четкой закономерности (показатель эффективности различается незначительно, около 1,5-3,0 %). Показано, что процесс компримирования с пониженным отношением давлений за счет использования ЦБК в 2-х ступенчатом исполнении не отличается энергоэффективностью, а кроме того, и не отвечает требованиям снижения металлоемкости и стоимости.
Перспективным является разработка ЦБК в одноступенчатом исполнении, с осеради-альными пространственными рабочими колесами (РК), с консольным ротором и осевым регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА) [7]. Факторами, сдерживающими применение предложенного конструктивного облика являются:
о требуемая частота вращения ротора, как правило, несколько выше, чем номинальная частота вращения силовой турбины (СТ) ГТУ, что требует проведения модернизации существующих приводных ГТУ;
о наличие входного направляющего аппарата перед РК усложняет конструкцию ЦБК и увеличивает стоимость;
о наличие консольного ротора приводит к проблеме компенсации статического осевого усилия, возникающего в момент заполнения контура ЦБК газом перед пуском и повышенной нагрузке на упорный диск упорного подшипника;
о наличие осевого подвода влечет за собой изменение традиционной газовой обвязки ЦБК в пределах КЦ.
Тем не менее, положительными факторами являются:
• снижение металлоемкости ЦБК, а значит и стоимости;
• размещение уплотнительных узлов на консольном роторе только с одной стороны, что уменьшает стоимость (особенно в случае применения систем газодинамических уплотнений) и уменьшает утечки газа через уплотнения;
• применение осевого подвода газа к РК позволяет минимизировать потери энергии при входе и повысить политропный КПД на 0,5-1,0 %;
• применение ВНА создает дополнительные возможности для регулирования положения рабочей точки на ГДХ ЦБК, позволяя обеспечить ближе к оптимальной линию рабочих режимов на «дроссельной» характеристике ГТУ, а значит, снижению расхода топливного газа.
Следует отметить, что задача создания газового компрессора с осевым входом (головной образец мощностью 25-35 МВт и КПД 89-90%) включена в «Программу инновационного развития ОАО «Газпром» до 2020 года».
Конструктивный облика ЦБК в одноступенчатом исполнении с осевым входом предложен в 2007 г. в [8]. В дальнейшем разработаны методики получениях ГДХ ЦБК с осевым ВНА на режимах регулирования. Предложены два варианта конструктивной проработки одноступенчатого ЦБК с консольным ротором, осерадиальным РК, осевым ВНА и осевым подводом газа. Для разработки 1-го варианта ЦБК использованы аналоги: электроприводной ЦБК типа 280-12-7 (разработка Невского завода, производство Хабаровского завода энергетического машиностроения); нагнетатель типа 370-18-2 (Невский завод) и Н-16-76 («Турбо-моторный завод» г. Екатеринбург). Конструкция 2-го варианта простроена по типу современных ЦБК, выпускаемых ЗАО «Росэлектропром-Холдинг», ОАО «Компрессорный комплекс», Сумское НПО им. М.В. Фрунзе, ОАО НПО «Искра» с корпусом бочкообразной формы (типа «баррель») и двумя крышками. Обе конструкции оснащены сухими газодинамическими уплотнениями и подшипниками скольжения.
69
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Выполнен газодинамический расчет проточных частей перспективных ЦБК в одноступенчатом исполнении с консольным ротором, на отношение давлений 1,35, для ГПА мощностного ряда: 6,3; 8,0; 12,0; 16,0; 25,0 МВт, а также для характерных рабочих давлений МГ: 5,5; 7,45; 9,8 МПа. Для расчета использованы данные модельных испытаний на воздухе. Расчет ГДХ выполнялся с учетом возможности одновременного регулирования как изменением частоты вращения ротора, так и изменением угла поворота лопаток входного направляющего аппарата. Выбор модельной ступени проводился из условия обеспечения в расчетной точке частоты вращения ротора ЦБК равной номинальной частоте вращения СТ ГТУ, политропного КПД не менее 82%. В табл. 1 приведены основные параметры типоразмерного ряда спроектированных ЦБК в указанном диапазоне мощностного ряда.
Основные параметры ЦБК в диапазоне мощностей 6,3-25 МВт
Таблица 1
№ варианта
Параметр, обозн. размерн. 1 2 3 4 5 6 7 8
Модель 3232 3932 3232 3232 3932 5240 3232 3932
Номинальная мощность, Лнам,МВт 6,3 8,0 10,0 10,0 12,5 12,5 16,0 25,0
Конечное давление, Рк, МПа 5,5 5,5 5,5 7,45 5,5 7,45 7,45 7,45
Отношение давлений, ек 1,35 1,35 1,35 1,35 1,35 1,35 1,35 1,35
Начальное давление, Рн, МПа 4,07 4,07 4,07 5,51 4,07 5,51 5,51 5,51
Начальная температура газа, 4, °С 15 15 15 15 15 15 15 15
Политропный КПД, цп 0,84 0,84 0,84 0,85 0,84 0,82 0,85 0,84
Конечная температура, 4 °С 24,1 24,1 24,1 23,7 24,1 24,7 23,7 24,1
Коммерческая производительность, Qg, млн.нм3/сут 15,72 19,95 24,94 26,30 31,17 31,63 42,08 64,78
Объемная производительность на входе, Q, м3/мин 227,8 289,1 361,5 270,8 451,8 325,6 433,2 666,9
Мощность на валу, Ш, МВт 5,83 7,4 9,2 9,2 11,5 11,5 14,8 23,1
Частота вращения, п, об/мин 8200 8200 6500 6500 6500 8600 5200 5000
Диаметр РК, Б2, мм 566 565,7 714,0 682,6 718,7 532,3 853,2 904,9
Относительная ширина РК, Ь2/Б2 0,042 0,047 0,042 0,042 0,046 0,076 0,043 0,049
Таким образом, выполненные расчеты подтверждают возможность разработки одноступенчатого ЦБК в широком диапазоне по ряду рабочего давления и мощности привода. Подбор напорно-расходных ГДХ модельных ступеней позволяет выполнить согласование требуемой частоты вращения ЦБК с номинальными оборотами ГТУ. Разработана методика определения осевых усилий и оптимизации конструкции ротора с использованием программного комплекса АКБУБ. Разработана методика получения ГДХ ЦБК с комбинированным регулированием изменением частоты вращения и угла поворота лопаток ВНА. Предложены варианты трубопроводной обвязки ЦБК с осевым подводом газа.
Библиографический список
1. Завальный, П. Н. О влиянии вида характеристики центробежного нагнетателя природного газа на среднегодовые экономические показатели / П. Н. Завальный, Б. С. Ревзин А.В. Тарасов // Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования: тр. 2-го международ. симпозиума. - СПб., 1996. - С. 165-167.
2. Завальный П.Н. О рациональном использовании центробежных компрессорных машин в многониточных газотранспортных системах / П.Н. Завальный, Б.С. Ревзин, А.В. Тарасов //Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования: тр. 3-го Междунар. симпозиума. - СПб., 1997. - С. 153-156.
70
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
3. Согласование характеристик проточных частей центробежного нагнетателя типа 398 с характеристиками газотурбинного привода АЛ-31СТ и режимами работы компрессорной станции / А.Д. Ваняшов, А.В. Крупников, Г.А. Бочаров Г.А, В.В. Денисенко А.Г. Журин, Ю.Н. Писарев // Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования : тр. 15-го Междунар. симпозиума. - СПб., 2010. - С. 144-153.
4. Согласование характеристик проточных частей центробежного нагнетателя типа 398 с характеристиками газотурбинного привода АЛ-31СТ и режимами работы компрессорной станции / А.Д. Ваняшов, А.В. Крупников, Г.А. Бочаров, В.В. Денисенко, А.Г. Журин, Ю.Н. Писарев // Компрессорная техника и пневматика. - 2011. - № 1. - С. 20-25.
5. Согласование характеристик центробежного нагнетателя и газотурбинной установки для низконапорных режимов работы компрессорных станций / А.Д. Ваняшов, А.В. Крупников, А.В. Жерелевич, Ю.Н. Матвеев // Газотранспортные системы. Настоящее и будущее: тез. докл. 4-й Междунар. науч.-техн. конф.- М., 2011. - С. 118.
6. Ваняшов, А. Д. Анализ эффективности газоперекачивающих агрегатов в различной комплектации в условиях низконапорных режимов эксплуатации компрессорных станций / А. Д. Ваняшов, А. И. Кухарская, А. А. Гетта // Трубопроводный транспорт-2011: материалы 7-й Междунар. учеб.- научн.- практ. конф. - Уфа, 2011. - С. 315.
7. Гетта, А.А. Сравнение эффективности различных типов проточных частей центробежных компрессоров при низконапорных режимах транспортировки газа на компрессорных станциях / А. А Гетта, А. И. Кухарская, А. Д. Ваняшов // Нефть и газ-2012: тр. 66-й междунар. молодежн. науч. конф. - М., 2012. - С. 12.
8. Выбор параметров газоперекачивающих агрегатов на стадии проекта реконструкции компрессорных станций / А.Д. Ваняшов, А.Н. Кабаков, А.В. Жерелевич, А.В. Грехнев // доклад 14-й междунар. науч.- техн. конф. по компрессорной технике. - Казань, 2007. - Т. 2. -С. 428-435.
