CC BY
43
УДК 622.276
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2022-5-6-28-31
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПЕРЕСЧЕТА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ НА ДОЖИМНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ
DEVELOPMENT OF A METHOD FOR RECALCULATION OF GAS DYNAMIC CHARACTERISTICS OF MULTISTAGE CENTRIFUGAL COMPRESSORS AT BOOSTER COMPRESSOR STATIONS
Кильдияров C.C.
ООО «Газпром добыча Надым», 629730, г. Надым, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8095-3922, E-mail: kildiyarov@yandex.ru
Резюме: В статье предложен метод пересчета газодинамических характеристик по результатам эксплуатационных испытаний на двух частотах вращения ротора многоступенчатых центробежных компрессоров на дожимных компрессорных станциях. Применение предлагаемого метода с учетом рассогласования производительности позволяет проводить пересчет газодинамических характеристик многоступенчатых центробежных компрессоров по результатам эксплуатационных приемо-сдаточных испытаний на дожимных компрессорных станциях с достаточной для инженерных расчетов точностью.
Ключевые слова: дожимная компрессорная станция, газодинамическая характеристика, центробежный компрессор, приемо-сдаточные испытания.
Для цитирования: Кильдияров С.С. Разработка метода пересчета газодинамических характеристик многоступенчатых центробежных компрессоров на дожимных компрессорных станциях // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 5-6. С. 28-31.
D0I:10.24412/0131-4270-2022-5-6-28-31
Kildiyarov Salavat S.
Gazprom Dobycha Nadym LLC, 629730, Nadym, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8095-3922, E-mail: kildiyarov@yandex.ru
Abstract: The article proposes a method for recalculating gas dynamic characteristics (GDC) based on the results of operational tests at two rotor speeds of multistage centrifugal compressors (MCC) at booster compressor stations. The application of the proposed method, taking into account the mismatch of performance, allows for the recalculation of the GDC of multi-stage central compressors based on the results of operational acceptance tests at booster compressor stations with sufficient accuracy for engineering calculations.
Keywords: booster compressor station, gas dynamic characteristics, centrifugal compressor, acceptance tests.
For citation: Kildiyarov S.S. DEVELOPMENT OF A METHOD FOR CALCULATING GAS-DYNAMIC CHARACTERISTICS OF MULTISTAGE CENTRAL-STAGE COMPRESSORS AT BOOSTER COMPRESSOR STATIONS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons, 2022, no. 5-6, pp. 28-31.
DOI:10.24412/0131-4270-2022-5-6-28-31
В процессе эксплуатации дожимных компрессорных станций (ДКС) на газовых месторождениях для поддержания термобарических условий подготовки, транспорта газа и проектных показателей разработки месторождений в условиях постоянно падающего пластового давления необходим как ввод новых газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на дополнительных очередях сжатия, так и замена сменных проточных частей (СПЧ) на более напорные на уже введенных ГПА. При вводе новых ГПА и замене СПЧ всегда актуальным является вопрос соответствия центробежных компрессоров (ЦБК) и СПЧ условиям технического задания (ТЗ).
В основном отраслевом стандарте ПАО «Газпром» по контролю качества оборудования при поставке эксплуатации [1] и других нормативных документах и методиках, в частности [2], метод пересчета газодинамических характеристик (ГДХ) ЦБК на требуемые условия эксплуатации основан на теории подобия газодинамических процессов в ЦБК на сходственных режимах, разработанный В.Ф. Рисом [3]. Данный метод пересчета газодинамических характеристик был разработан для неполнонапорных одноступенчатых ЦБК. Впоследствии на основе данных экспериментальных исследований ЦБК специалистами ВНИИГАЗа на
компрессорных станциях (КС) газотранспортной системы Кавказ-Центр [4] был расширен диапазон применения метода до степени сжатия 1,5.
При перестроении ГДХ многоступенчатых ЦБК на новые условия работы отклонения связаны с тем, что даже при соблюдении условий подобия на входе в первое рабочее колесо компрессора на входе последующих рабочих колес условия подобия соблюдаться не будут. Это приводит к рассогласованию ступеней компрессора, описанному Г.Н. Деном [5].
Поэтому для проведения приемо-сдаточных и эксплуатационных испытаний необходима разработка новых методов пересчета ГДХ. В настоящее время разработаны метод математического моделирования режимов [6] и метод разложения и синтеза условных ступеней [7].
Каждый из этих методов имеет свои недостатки. Для математического моделирования режимов необходимо проведение большого объема испытаний при различных частотах вращения ротора от минимального до максимального с несколькими промежуточными частотами вращения. Однако на ДКС, где эксплуатируется большая часть многоступенчатых ЦБК, проведение испытаний даже на
номинальных частотах вращения ротора экономически нецелесообразно, так как при своевременном вводе ГПА и замене СПЧ давления на входе ДКС большие и рабочий диапазон ЦБК ограничен высоким давлением на выходе ДКС и мощностью привода. Поэтому для проведения испытаний во всем рабочем диапазоне необходимо создание дополнительного сопротивления для снижения давления на входе ДКС при поддержании проектного расхода газа через ДКС. Для метода разложения и синтеза условных ступеней необходимы данные по геометрии проточной части ЦБК. Такая информация, как правило, не предоставляется заводами-изготовителями. Данный метод применим для производителей ЦБК.
Для разработки и апробации метода пересчета ГДХ по результатам эксплуатационных испытаний на двух частотах вращения ротора ЦБК были использованы данные эксплуатационных испытаний ЦБК и СПЧ различных производителей: ОАО «Компрессорный комплекс», ЗАО «РЭПХ», ОАО НПО «Искра», ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» со степенями сжатия от 1,35 до 4,0, эксплуатируемых на месторождениях Надым-Пур-Тазовского района ООО «Газпром добыча Надым», были использованы данные по испытаниям ЦБК 285ЦБК-16/121-С с СПЧ-285-16/121-2,2-С на ДКС (2-я очередь) ГП-3 Бованенковского НГКМ ООО «Газпром добыча Надым» в составе вновь вводимых ГПА и при замене СПЧ.
Приведенные данные испытаний были выбраны для апробации, так как они были наиболее объемными испытаниями, проведенными на объектах ООО «Газпром добыча Надым».
Испытания производились на четырех различных частотах вращения ротора - от минимальной до частоты вращения согласно ТЗ. Как было отмечено выше, при замене СПЧ давление на входе в ДКС всегда выше давления по ТЗ. Испытания проводятся на частичных частотах вращения ЦБК, а затем пересчиты-ваются на условия по ТЗ. Однако при проведении механических испытаний подобные методики отсутствуют, и для проведения механических испытаний при максимально возможных режимах работы рабочего диапазона ЦБК было создано давление на входе ДКС, максимально приближенное к давлению на входе ЦБК согласно ТЗ.
На рис. 1 представлена газодинамическая характеристика отношения давления, приведенная к условиям по ТЗ в соответствии с [1]. Как видно из ГДХ при проведении испытаний на частотах вращения ротора,
отличных от приведенной частоты вращения, возникает отклонение объемной производительности. Чем больше отклонение частоты вращения при испытаниях от приведенной частоты вращения, тем больше отклонение объемной производительности.
Используя полученные данные, можно определить приведенный объемный расход ЦБК с учетом рассогласования ступеней компрессора введением новой величины - объемной производительности рассогласования ^рас)
Пф
Q = Q■-ф- -^пр ^ п
Q,
рас
1-Пф
(1)
где Qпр - объемная производительность при частоте вращения приведения, м3/мин; Q- фактическая объемная производительность, м3/мин; Пф - фактическая частота вращения, мин-1; п0 - частота вращения приведения, мин-1; Qрас -объемная производительность рассогласования, м3/мин.
Рис. 1. Газодинамическая характеристика СПЧ-285-16/121-2,2-С в составе ГПА 326 ДКС-2 Бованенковского НГКМ (Рн = 4,77 МПа, Тн = 35 °С, Я = 494,5 Дж/(кгК), п = 5190 об/мин)
Рассмотрим случай, когда отсутствует возможность проведения испытаний на частотах вращения по условиям ТЗ. Предположим испытания проведены на произвольных частотах вращения меньше частоты вращения по ТЗ (наиболее частый случай из практики эксплуатационных испытаний на ДКС). Как видно из рис. 1, имеем значительные отклонения расходов на каждой из изодром, что приводит к проблемам определения соответствия объекта исследования условиям ТЗ.
Используя полученные знания об отклонении объемной производительности на различных частотах вращения и определение объемной производительности рассогласования из (1), найдем по ГДХ разницу расходов при постоянной степени сжатия для двух любых изодром (на частотах вращения п1 и п2) и обозначим Оо-КЛЛ :
Qрас\1-П I-
I
Рис. 2. Газодинамическая характеристика для произвольной частоты вращения совпадающую с фактической ГДХ на частоте вращения по ТЗ
0,80
0,70
0,60
0,50
0.40
0,30
А. - . .. ( р
— "Ш
\
\
\\
\ \
V
\
! ■
100
120
140
160
200 220 240 260
Приведенный объемныйрасходОпр, м3/мин
-о,
рас
1 п I _ оОТКЛ "п
из (2) получим
о
оОТКЛ
рас
(2)
(3)
* ■ - -В -«- -
ч
\
\
%
100
120
140
160
200 220 240 260
Приведенный объемный расход Опр, м3/мин
♦ Номинальный режим по степени сжатия согпасно ИЯТЛ.064415.293.ТЗ ОДопопнитепьный режим по степени сжатия согласно ИЯТЛ.064415.2ЭЗ.ТЗ
♦ Испытания при частоте вращения 5190 об/мт
♦ Испытания при частоте вращения 4770 об/мт А Испытания при частоте вращения 4240 об/мыт
I
Подставив полученную объемную производительность рассогласования (3) в (1), получим ГДХ для произвольной частоты вращения, совпадающую с фактической ГДХ на частоте вращения по ТЗ (рис. 2).
Апробацию методики [1] и предлагаемой методики проведем по отклонению политропного КПД и степени сжатия, пересчитанных с частичных частот вращения, от фактических, полученных при испытаниях на частоте вращения по ТЗ на номинальном и дополнительном режимах согласно ТЗ.
В табл. 1 представлены результаты расчетов по двум методикам.
Как следует из табл. 1, пересчитанные ГДХ по методике СТО Газпром [1] многоступенчатых ЦБК могут отличаться от фактических на величину до 20%, причем отклонения увеличиваются при повышении разницы между частотой вращения и приведенной частотой вращения ротора ЦБК, а также при работе ЦБК в правой области газодинамической характеристики.
Таблица 1
Отклонения политропного КПД и степени сжатия по двум методикам
Отклонение (мин.-макс.), %
Частота вращения, Номинальный режим Дополнительный режим
об/мин Политропный КПД Степень сжатия Политропный КПД Степень сжатия
Методика по СТО Газпром
4770 0,2-15 0,6-3,4 0,3-7,0 1,4-7,1
4240 0,3-3,6 2,0-4,8 3,5-14,6 4,6-11,5
3710 0,5-5,1 3,2-7,1 7,1-21,8 7,7-17,9
Методика с учетом рассогласования производительности
4770 0,2-1,5 0,0-0,5 0,1-3,0 0,0-1,5
4240 0,4-2,1 0,1-1,0 0,3-3,3 0,0-1,4
3710 0,9-1,9 0,2-1,2 0,3-2,9 0,2-2,4
Результаты сравнения пересчитанных ГДХ по предлагаемой методике с учетом рассогласования производительности показывают, что отклонение не превышает 2,9%.
Выводы
1. Установлено, что фактические ГДХ многоступенчатых ЦБК могут отличаться от пересчитанных в соответствии с СТО Газпром на величину до 20%. Различия возрастают при увеличении разницы между частотой вращения и приведенной частотой вращения ротора ЦБК, а также при увеличении производительности ЦБК выше номинального значения.
2. Предложенный метод уточнения ГДХ, учитывающий рассогласование производительности, позволяет проводить пересчет газодинамических характеристик многоступенчатых центробежных компрессоров в условиях эксплуатации на дожимных компрессорных станциях с высокой степенью точности (отклонение расчетных от фактических не превышает 2,9%).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
СТО Газпром 2-3.5-253-20082. Контроль качества оборудования при поставке и эксплуатации. Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Аппараты воздушного охлаждения газа. ПР51-31323949-43-99. Методические указания по проведению теплотехнических и газодинамических расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. М.: Машиностроение, 1964. 336 с. Синицын С.Н., Барцев И.В., Леонтьев Е.В. Влияние параметров природного газа на характеристики центробежных нагнетателей // Труды ВНИИГАЗа. Вып. 29. 1967. 253 с.
Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров: Термогазодинамические расчеты. Л: Машиностроение, 1980. 232 с.
Воронцов М.А., Глазунов В.Ю., Лопатин А.С. Математическое моделирование режимов работы высоконапорного многоступенчатого центробежного компрессора //Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2016. № 1. С. 25-30.
Ваняшов А.Д. Применение методов пересчета газодинамических характеристик многоступенчатых и многосекционных турбокомпрессоров на другие условия работы в различных технологических установках // Омский науч. вестник. Сер. авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2. № 1. С. 42-50.
REFERENCES
1. STO Gazprom 2-3.5-253-20082. Kontroi kachestva oborudovaniya pri postavke i ekspluatatsii. Agregaty gazoperekachivayushchiye s gazoturbinnym privodom. Apparaty vozdushnogo okhlazhdeniya gaza [STO Gazprom 2-3.5-253-20082. Quality control of equipment during delivery and operation. Gas compressor units with gas turbine drive. Air coolers for gas].
2. PR51-31323949-43-99. Metodicheskiye ukazaniya po provedeniyu teplotekhnicheskikh i gazodinamicheskikh raschetovpriispytaniyakh gazoturbinnykh gazoperekachivayushchikh agregatov [PR51-31323949-43-99. Guidelines for conducting heat engineering and gas-dynamic calculations during testing of gas turbine gas compressor units].
3. Ris V.F. Tsentrobezhnyye kompressornyye mashiny [Centrifugal compressor machines]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1964. 336 p.
4. Sinitsyn S.N., Bartsev I.V., Leont'yev YE.V. Influence of natural gas parameters on the characteristics of centrifugal superchargers. Trudy VNIIGAZa, 1967, no. 29. 253 p.
5. Den G.N. Proyektirovaniye protochnoy chasti tsentrobezhnykh kompressorov: Termogazodinamicheskiye raschety [Design of the flow path of centrifugal compressors: Thermogasdynamic calculations]. Leningrad, Mashinostroyeniye Publ., 1980. 232 p.
6. Vorontsov M.A., V.YU. Glazunov V.YU., Lopatin A.S. Mathematical modeling of operating modes of a high-pressure multistage centrifugal compressor. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2016, no. 1, pp. 25-30 (In Russian).
7. Vanyashov A.D. Application of methods for recalculation of gas-dynamic characteristics of multi-stage and multisection turbocompressors for other operating conditions in various technological installations. Omskiy nauchnyy vestnik. Seriya aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye, 2018, vol. 2, no. 1, pp. 42 - 50 (in Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Кильдияров Салават Салимович, замначальника службы диагностики оборудования и сооружений, Инженерно-технический центр ООО «Газпром добыча Надым».
Kildiyarov Salavat S., Deputy Head of the Diagnostics Service of Equipment and Structures. Engineering and Technical Center of Gazprom Dobycha Nadym LLC.
