CC BY
1УДК 621.515
DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-61-68 EDN: IJDUBW
СОПОСТАВЛЕНИЕ МЕТОДИК УЧЁТА РЕАЛЬНОСТИ ГАЗА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА
О. А. Соловьёва, И. С. Шариков, Н. И. Садовский
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29
При проектировании компрессоров необходимо производить учёт реальности рабочего тела, так как при расчёте компрессора по моделям идеального газа возникают сильные отклонения рабочих параметров от рассчитанных, что может привести к невыполнению технического задания, а также к образованию нестационарных процессов. Правильный выбор методики учёта реальности газа позволяет максимально приблизить расчётные данные к экспериментальным. Таким образом, выбор наиболее точной методики учёта реальности газа позволяет предсказать экспериментальные характеристики проектируемого компрессора ещё до проведения физических испытаний. Существует множество методик, позволяющих учесть реальность газа, а именно рассчитать по эмпирическим формулам фактор сжимаемости. В данной работе приведено сравнение четырех методик и выполнен расчет центробежного компрессора с учетом полученных по данным методикам значений фактора сжимаемости. Приведено сравнение рассчитанных газодинамических характеристик с экспериментальными данными и выявлены расхождения при разных оборотах ротора.
Ключевые слова: идеальный газ, фактор сжимаемости, метан, показатель адиабаты, природный газ, реальность газа, центробежный компрессор.
I ■
л
О
1Я 1> N1
ОИ О О Е н Т х
>О 2 А
■ К > О
1 о
О
< К ОО
Введение
Постановка задачи
Идеальный газ — это газ, молекулы которого не взаимодействуют между собой, а также в модели идеального газа молекулы не занимают объёма. Уравнение Менделеева — Клапейрона является уравнением состояния идеального газа и имеет следующий вид (1)
Р/р = Я ■ Т.
(1)
Свойства реального газа существенно зависят от взаимодействия молекул. При нормальных условиях, когда средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул намного меньше их средней кинетической энергии, свойства реальных газов несильно отличаются от свойств идеального газа, и в таком случае к реальным газам можно применять законы, установленные для идеального газа. Свойства реального газа начинают сильнее отличаться от свойств идеального газа чем выше его давление и чем ниже его температура, когда начинают проявляться квантовые эффекты. Отклонение свойств реального газа от идеального может быть учтено, если в уравнение Менделеева — Клапейрона ввести фактор сжимаемости реального газа z.
Существует множество методик, учитывающих влияние реальности газа. Представляется интересным сравнение некоторых методик и выбор наиболее подходящей для расчетов газодинамических характеристик центробежного компрессора (ЦК).
Молекулы в реальном газе занимают определённый объём и взаимодействуют между собой. Отклонение свойств реального газа от идеального становится более существенным при увеличении плотности газа. Отклонение может быть учтено, если в уравнение Менделеева — Клапейрона ввести дополнительный коэффициент z — фактор сжимаемости реального газа. Состояние такого газа может быть с большой точностью описано обобщённым уравнением Менделеева — Клапейрона (2)
Р/р = z • Я Т.
(2)
В связи с тем, что г является нелинейной зависимостью от Р и Т, становится актуальным вопрос о выборе наиболее оптимального метода расчета фактора сжимаемости. На основании анализа литературных данных были выделены для рассмотрения следующие методы [1 — 10]. Чтобы оценить влияние методик расчета реальности газа на газодинамические характеристики центробежного компрессора, был выбран реально существующий объект.
Объект исследования
Объектом исследования выбран центробежный одновальный двухступенчатый компрессор природного газа на конечное абсолютное давление 9,91 МПа, с отношением давлений 1,5 — ЦБК405-
Таблица 2. Состав газа Table 2. Gas composition
Наименование параметра -
Производительность объёмная, отнесённая к начальным условиям, м3/мин 410,0
Давление газа начальное, абсолютное при входе во всасывающий патрубок, МПа 6,607
Давление газа конечное, абсолютное на выходе из нагнетательного патрубка, МПа 9,91
Отношение давлений 1,50
Температура газа при входе, К (°С) 288,15 (15)
Плотность газа, отнесённая к 20 °С и 0,1013 МПа, кг/м3 0,6807
Политропный КПД, не менее 0,86
Мощность, потребляемая на муфте турбины, МВт, не более 22,6
Частота вращения ротора, об/мин 4900
Компонент газа Объёмная доля, %
Метан (СН4) 98,1848
Этан (СД,) 0,6848
Пропан (С3Н8) 0,2057
Изобутан (С4Н10-1) 0,0353
Норм. бутан (С4Н10) 0,033
Изопентан (С5Н12-1) 0,0046
Азот (]]2) 0,8176
Углекислый газ (С02) 0,0339
Рис. 1. Газодинамические характеристики компрессора ЦБК405-1,44/101-5000/25СМП Обозначения: QH — производительность объёмная, отнесённая к начальным условиям; s — отношение давлений; ппол — политропный КПД; • — номинальный
режим; +--первый дополнительный режим; ▲ — второй
дополнительный режим;---— граница помпажа.
Начальные условия: давление на нагнетании Р = 9,91 МПа;
температура начальная Тн = 288,15 К; газовая постоянная сжимаемого природного газа R = 509,0 Дж/(кгК); показатель
адиабаты k = 1,31; частота вращения ротора n, об/мин: 1 — 3500, 2 — 4000, 3 — 4500, 4 — 4900, 5 — 5000, 6 — 5250 Fig. 1. Gasdynamic characteristics of the CBK405-1.44/101-5000/25SMP compressor Designations: Qn — inlet flow rate related to the initial conditions; s — pressure ratio; npol — polytropic efficiency;
• — nominal mode; +--first additional mode; ▲ — second
additional mode;---— surge limit. Initial conditions:
discharge pressure Рк = 9,91 MPa; initial temperature T = 288,15 K; gas constant of compressible natural gas R = 509,0 J/(kgK); adiabatic index k = 1,31; rotor speed n, rpm: 1 — 3500, 2 — 4000, 3 — 4500, 4 — 4900, 5 — 5000, 6 — 5250
Таблица 1. Основные параметры компрессора Table 1. Basic parameters of the compressor
вращения ротора компрессора, полученные экспериментально, представлены на рис. 1.
Основные параметры компрессора на номинальном режиме представлены в табл. 1.
Состав природного газа, сжимаемого в компрессоре, представлен в табл. 2.
Теория
Существует множество методик учёта реальности газа. В данной работе представлено применение четырёх из них для расчета газодинамических характеристик центробежного компрессора, а именно определение свойств газов по закону соответственных состояний [7]; методика, разработанная ВНИИ-ГАЗ по уравнению Бенедикта — Вэбба — Рабина [8]; методика, использующая уравнение состояния смеси газов Загорученко В. А. [9]; методика, установленная по СТО Газпром 2-3.5-113-2007 [10].
Определение свойств газов по закону соответственных состояний [7]
Закон соответственных состояний — приведённые свойства (3), представляющие собой отношения свойства в заданной области термодинамической поверхности к соответствующему свойству в критической точке, для всех газов являются одинаковыми.
Рпр =■
■ , атм; т„
, к.
(3)
Рк
Учет ре ально сти газ а по данной методике представляет процесс с применением большого количества графическиа зависиаостей, таблиц и ограниченного числа томпоненоов газа, что в значительной степени усложняет процесс учета сжимаемости природного газ а.
Методика, разработаннаа воВНИИГАЗ по уравнению Бенедикта—Вэбба—Рабина [8] В данной методике в коввстве бвзового уравнения состояния применено упрощённое уравнение состояния Бенедикта — В эб ба — Рабина (БВР), представленное в приведённой форме (4), и на его основе определены формулы для расчёта других функций сжимаемости.
1,44/101-5000/25СМП мощностью 25 МВт, разработанный для ГПА и предназначенный для работы в его составе для сжатия газа на линейной компрессорной станции.
Графики зависимости КПД и отношения давлений от объёмного расхода при различных частотах
1 +
ж Z
ж
Z2
Р
a
3
a
62
2
5
X
X
где т и п — соответственно приведенная температура и приведенное давление, которые определяются по формулам 3, а. — коэффициенты.
Рекомендуемый диапазон применения данной методики для расчета параметров, учитывающих реальность газа: объемная доля метана в смеси более 85 %; 260 К < Т < 400 К; Р < 15 МПа.
При выполнении данных условий погрешность расчета напора, КПД и мощности, связанная с неточностью термодинамических данных, не превысит 0,5 %.
Методика, использующая уравнение состояния смеси газов В. А. Загорученко [9]
Проблемой многих из существующих методик учета реальности газа является отсутствие сведений о применении их при давлениях порядка 25 МПа — 50 МПа и выше. Дмг составляющих углеводородных газов и их смесей В. А. Загорученко создано интерполяционное уравнение состояния (5), справедливое при давлениях до 70 МПа для 20 реальных газов и их смесей, для которых имеются полученные авторох экспериментальные коэффициенты, приведенные в [9]:
pV = Д[а(р) + р(р)Г • 10+ у(р)104Г];
а(р) = Е а,-р""10;
1
р(р) = 100 + £ Ь"-р" 10-"■ ; 1
у(р) = е С"р"ю-,
(5)
опытами температурах от тройных точек, а по азоту от 125 К, в интервалах плотностей, также указанных в [9]. Уравнения с достаточной точностью удовлетворяют параметрам в критической точке каждого описанного вещества.
Программный код данной методики, написанный на языке программирования Fortran, есть в открытом доступе и был использован для проведения дальнейших расчётов.
Методика, установленная по СТО Газпром 2-3.5н113-2007 [10]
В данной методике используется большое количество эмпирических коэффициентов.
Фактор сжимаеаости газа по вяодным параметрам z вычкслоется по фнрмуло (6):
z1s = 1-[(10,2Р1н-6)(0,345 '10-2'Дв-
-0,446 • 10-3)+0,01K-[l,3-0,0144(Г1н-283,2)], (6)
где TT — температура на воо4е в компрессор, К; P — давление на входе в компрессор, МПа; Дв — относительнакплотность газа мо зрздуху.
Относительная плотность газа по воздуху Дв вычисляется пр формуле (7):
(00 . 1,2044
()
где р0 — плотность газа при в0 "(Z + 0Д013 МПа,кг+м3.
Показатель псердоизо1нтропы (средний по процессу сжатия) вычислгется по формуле (8):
где р — давлен ие, Па; V — удельный объем м3/моль; р — плотность, моль/дм3; Т — температура, К; Я — газовая постоянная [Я = 8,3143 Дж/(мольК)].
Элементарные функции ураннения состояния а(р), Р(р) и у(р) зависят только от плотности и представлены аналиточески 15 виде полиномов по степеням р
Эмпирические коэффициенты компонентов смеси а., Ъ. и с. представлены в [9].
В работе [9] указаны средние и наибольшие расхождения с наиболее надежными опытными данными. Уравнения справедливы при всех охваченных
и
: 4,16 / 0,0041 (t - 10)/ И - 1
+ е,те (я - 0,ее) + е,0 (щ - 0,е) -
(8)
где mT
температурный показатель политропы;
t
среднее значение температуры.
Таким образом, пользуясь данной методикой, зная начальные и конечные параметры газа и состав сжимаемого газа, можно определить параметры, учитывающие его реальность, а именно фактор сжимаемости z и показатель псевдоизоэнтропы к.
)
Рис. 2. Интерфейс программы для расчёта k и zR Fig. 2. Program interface for calculating k and zR
Таблица 3. Результат расчёта k и zR Table 3.The result of calculating k and zR
Наименование методики 2вх R, Дж/(кгК zR, Дж/(кгК) k ср квх
Уравнение БВР 0,8719 508,987 443,801 1,3137 -
СТО Газпром 2-3.5-113-2007 0,8682 - 441,888 1,3131 -
Уравнение В. А. Загорученко 0,8722 508,979 443,912 1,4157 1,3897
Рис. 3. Семейство характеристик политропного КПД Частота вращения ротора n, об/мин: 1 — 3500, 2 — 4000, 3 — 4500, 4 — 4900, 5 — 5000, 6 — 5250 Fig. 3. Family of polytrophic efficiency characteristics. Rotor speed n, rpm: 1 — 3500, 2 — 4000, 3 — 4500, 4 — 4900, 5 — 5000, 6 — 5250
Рис. 4. Зависимость отношения давлений от массового расхода. Частота вращения ротора n, об/мин: 1 — 3500, 2 — 4000, 3 — 4500, 4 — 4900, 5 - 5000, 6 — 5250 Fig. 4. Dependence of the pressure ratio on the mass flow rate. Rotor speed n, rpm: 1 — 3500, 2 — 4000, 3 — 4500, 4 — 4900, 5 — 5000, 6 — 5250
Таблица 4. Расчётные режимы работы компрессора m, кг/с Table 4. Design regimes of the compressor m, kg/s
Наименование методики n, об/мин
3500 4000 4500 4900 5000 5250
Уравнение БВР [8] 251,60 287,43 322,76 350,87 357,88 374,33
СТО Газпром 2-3.5-113-2007 [10] 252,69 288,67 324,14 351,88 359,42 377,54
Уравнение В. А. Загорученко по кср [9] 251,91 287,45 322,81 350,41 357,97 375,47
Уравнение В. А. Загорученко по квх [9] 251,90 287,43 322,78 350,38 357,93 375,97
Результаты расчетов
Для расчёта показателя адиабаты к и произведения zR для смеси газов была написана компьютерная программа на языке программирования Visual Basic. В программу была включена база данных с основными сведениями, необходимыми для расчетов, для сорока газов. Интерфейс программы показан на рис. 2.
Входными данными для расчёта в программе являются объёмные доли компонентов смеси, входные и выходные давления и температуры смеси, по-литропный КПД.
Как результат расчёта получаются значения фактора сжимаемости z по входным параметрам, а также средние значения показателя адиабаты k. По методике, использующей уравнение В. А. За-горученко, также получается значение показателя адиабаты k в начале процесса сжатия. Результаты расчёта параметров, учитывающих реальность газа компрессора ЦБК405-1,44/101-5000/25СМП, представлен в табл. 3 (при давлении на входе 6,607 МПа, давлении на выходе 9,91 МПа, температуре на входе 288,15 К).
Расчёт характеристик производился в программе Метода универсального моделирования, разра-
ботанной в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого [11—20]. Комплекс компьютерных программ для расчета характеристик и оптимального проектирования центробежных ступеней и компрессоров позволяет выполнять проекты высокоэффективных машин без экспериментальной проверки. Программы Метода универсального моделирования постоянно развиваются и совершенствуются.
Газодинамические характеристики были посчитаны для шести различных частот вращения ротора: 3500 об/мин, 4000 об/мин, 4500 об/мин, 4900 об/мин, 5000 об/мин и 5250 об/мин; а также при различных значениях показателя адиабаты к и произведения zR, полученных по различным методикам учёта реальности газа.
Характеристики сведены на один график, тем самым получено семейство характеристик КПД и отношения давлений при изменении частоты вращения ротора (рис. 3, 4).
Также по написанной программе были посчитаны расчётные режимы работы компрессора при использовании различных методик учёта реальности газа и при различных частотах вращения ротора.
Результат расчёта представлен в табл. 4.
Обсуждение результатов
Список источников
Анализируя полученные характеристики, можно сделать вывод, что наиболее близко к экспериментальным данным лежат характеристики, рассчитанные с учетом реальности газа по методике СТО Газпром 2-3.5-113-2007 и по методике, использующей уравнение БВР.
При уменьшении частоты вращения ротора компрессора увеличивается расхождение расчетных данных от экспериментальных. Так, при частоте вращения 5200 об/мин максимальное отклонение составляет около 1 %, при минимальной частоте 3500 об/мин отклонение — до 6,5 %.
Чем больше частота вращения ротора, тем сильнее отличаются результаты расчета с учетом реальности газа, посчитанные по разным методикам. Это говорит о том, что при увеличении частоты вращения параметры, учитывающие реальность газа, а именно показатель адиабаты к и произведение zЯ, начинают оказывать более сильное влияние на характеристики компрессора.
Выводы и заключение
В данной работе исследовано влияние методик учета реальности газа на характеристики центробежного компрессора ЦБК405-1,44/101-5000/25СМП.
Для проведения данного исследования подобраны и описаны методики, которые позволяют рассчитать параметры, учитывающие реальность газа.
Выбранные методики сведены в единую компьютерную программу, которая использовалась для расчета показателя адиабаты к и произведения zЯ.
Полученные параметры к и zЯ использованы в программе Метода универсального моделирования для расчета характеристик политропного КПД и отношения давлений компрессора.
Характеристики компрессора рассчитаны при различных значениях частоты вращения ротора, что позволило построить семейство характеристик и сравнить с экспериментальными данными.
Наиболее близкие к экспериментальным данным результаты давали методика, установленная по СТО Газпром 2-3.5-113-2007, погрешность 1,08 % на расчетных режимах, и методика, использующая уравнение БВР, погрешность 1,07 % на расчетных режимах. При уменьшении частоты вращения ротора компрессора увеличивается расхождение расчетных данных от экспериментальных. Так, при частоте вращения 5200 об/мин максимальное отклонение составляет около 1 %, при минимальной частоте 3500 об/мин отклонение — до 6,5%. Чем выше частота вращения, тем большее влияние оказывают к и zЯ на характеристики компрессора.
Правильный выбор методики учета реальности газа позволяет максимально приблизить расчетные данные к экспериментальным. Таким образом, выбор наиболее точной методики расчета параметров учета реальности газа позволяет предсказать экспериментальные характеристики проектируемого компрессора еще до проведения физических испы-
Благодарности
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-29-00200, https://rscf.ru/ рго]ееи23-29-00200/.
1. СТО Газпром 11-2005. Методические указания по расчету валовых выбросов углеводородов (суммарно) в атмосферу в ОАО «Газпром». Введ. 25-10-2005. Москва: ООО «Центр безопасности труда», 2007. 42 с.
2. РД 153-39.0-112-2001. Методика определения норм расхода и нормативной потребности в природном газе на собственные технологические нужды магистрального транспортного газа. Москва: ОАО «Газпром»: ООО ВНИИГАЗ, 2001. 53 с.
3. ОНТП 51-1-85. Общесоюзные нормы технологического проектирования. Магистральные трубопроводы. Часть 1. Газопроводы. Москва: ВНИИЭГазпром, 1986. 95 с.
4. СТО Газпром 2-3.5-051-06. Нормы технического проектирования магистральных трубопроводов. Введ. 03-07-2006. Москва: ООО «Центр безопасности труда», 2006. 199 с.
5. Сарданашвили С. А. Расчетные методы и алгоритмы (трубопроводный транспорт газа). Москва: Нефть и газ, 2005. 577 с. ISBN 5-7246-0356-Х.
6. ГОСТ 30319.2-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости. Введ. 01-07-1997. Москва: ИПК Издательство стандартов, 2000. 51 с.
7. Стрижак Л. Я. Исследование влияния формы межлопаточных каналов центробежного компрессорного колеса на его характеристики: дис. ... канд. техн. наук. Ленинград: [б. и.], 1968. 235 с.
8. ПР 51-31323949-43-99. Методические указания по проведению теплотехнических и газодинамических расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих агрегатов / Разраб. В. А. Щуровский, Ю. Н. Синицын, В. И. Корнеев [и др.]. URL: https://nd-gsi.ru/ntd/pr/pr_51-31323949-43-99.pdf (дата обращения: 11.05.2024).
9. Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов: справ. пособие / Подгот.
B. А. Загорученко, Р. Н. Бикчентай, А. К. Трошин [и др.]. Москва: Недра, 1980. 319 с.
10. СТО Газпром 2-3.5-113-2007. Методика оценки энергоэффективности газотранспортных объектов и систем / ОАО «Газпром». Москва: ОАО Газпром, 2007 (Москва: Изд. дом Полиграфия). 54 с.
11. Галеркин Ю. Б., Рекстин А. Ф., Дроздов А. А., Солда-това К. В., Соловьёва О. А., Попова Е. Ю. Проектирование центробежных компрессоров на основе метода универсального моделирования // Вести газовой науки. 2020. № 2 (44)
C. 92-109. EDN: PLNRUM.
12. Galerkin Yu., Rekstin A., Soldatova K., Drozdov A., Solovyeva O., Semenovskiy V., Marenina L. The current state of the engineering method for the optimal gas-dynamic design and calculation of centrifugal compressor // Energies 2020. Vol. 13 (21). 5651. DOI: 10.3390/en13215651. EDN: JWVXPO.
13. Дроздов А. А., Галеркин Ю. Б., Соловьёва О. А., Сол-датова К. В., Уцеховский А. А. Математическая модель Метода универсального моделирования 9-й версии: особенности и результаты идентификации // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 4. С. 28-40. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-4-2840. EDN: HBKFME.
14. Solovyeva O., Galerkin Yu., Rekstin A., Soldatova K., Yusha V., Kabalyk K. Centrifugal compressor stage. Vaneless diffuser preliminary design by universal modeling method // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. 2020. Vol. 10, Issue 3. P. 1487914894. DOI: 10.24247/ijmperdjun20201417.
15. Соловьёва О. А., Солдатова К. В., Галеркин Ю. Б., Рек-стин А. Ф. Первичное проектирование безлопаточных диффузоров центробежных компрессорных ступеней Методом универсального моделирования // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 3 (732). С. 39-52. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-3-39-52. EDN: SYYIIG.
I ■
О
IS IB Ni
OS g о E н T x >0 z А
■ К > О äs
i о
О
< К
O О
16. Galerkin Yu. B., Drozdov A. A., Rekstin A. F., Solovye-va O. A., Semenovsky V. B. The Application Practice of the Universal Modeling Method 9th Version for Industry // Oil and Gas Engineering — AIP Conference Proceedings. 2021. Vol. 2412 (1). 030021. DOI: 10.1063/5.0075001.
17. Drozdov A. A., Galerkin Y. B., Solovyeva O. A., Soldato-va K. V., Ucehovscy A. A. Development and identification of a mathematical model of centrifugal compressor stages using the universal modeling method // Oil and Gas Engineering — AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2285. 030057. DOI: 10.1063/5.0026727.
18. Галеркин Ю. Б., Дроздов А. А., Рекстин А. Ф., Соловьева О. А., Семеновский В. Б. Опыт практического применения Метода универсального моделирования 9-й версии // Компрессорная техника и пневматика. 2021. № 1. C. 26 — 36. EDN: BKJHXG.
19. Галеркин Ю. Б., Дроздов А. А., Рекстин А. Ф., Соловьёва О. А., Маренина Л Н. Математическая модель метода универсального моделирования девятой версии для расчета и проектирования центробежных компрессоров: идентификация и верификация по экспериментальным данным // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2022. № 1 (140). C. 82-102. DOI: 10.18698/0236-3941-2022-1-82-102. EDN: WDTVUY.
20. Galerkin Yu. B., Drozdov A. A., Rekstin A. F., Solovye-va O. A., Marenina L. N. Identification and verification of the universal modeling method mathematical model // Oil and Gas Engineering - AIP Conference Proceedings. 2023. Vol. 2784. 030001. DOI: 10.1063/5.0140618.
СОЛОВЬЁВА Ольга Александровна, кандидат технических наук, доцент Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), г. Санкт-Петербург. SPIN-код: 4572-8002 AuthorID (РИНЦ): 703529 ORCID: 0000-0001-5746-3071 AuthorID (SCOPUS): 57220022694 ResearcherID: C-5456-2017
Адрес для переписки: [email protected] ШАРИКОВ Илья Сергеевич, магистрант Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ, г. Санкт-Петербург. Адрес для переписки: [email protected] САДОВСКИЙ Николай Иванович, кандидат технических наук, доцент Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ, г. Санкт-Петербург. SPIN-код: 2568-1299 AuthorID (РИНЦ): 120322 ORCID: 0000-0003-3494-5769 AuthorID (SCOPUS): 57221745249 ResearcherID: AAG-5818-2019 Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Соловьёва О. А., Шариков И. С., Садовский Н. И. Сопоставление методик учёта реальности газа и их влияние на газодинамические характеристики центробежного компрессора газоперекачивающего агрегата // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2024. Т. 8, № 3. С. 61-68. DOI: 10.25206/2588-0373-20248-3-61-68.
Статья поступила в редакцию 27.06.2024 г. © О. А. Соловьёва, И. С. Шариков, Н. И. Садовский
UDC 621.515
DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-61-68 EDN: IJDUBW
THE INFLUENCE OF REALITY GAS CALCULATION METHODS ON THE GASDYNAMIC CHARACTERISTICS OF A GAS PUMPING UNIT CENTRIFUGAL COMPRESSOR
O. A. Solovyeva, I. S. Sharikov, N. I. Sadovsky
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Russia, Saint Petersburg, Politechnicheskaya str., 29, 195251
When designing compressors, it is necessary to take into account the reality of the working fluid, since when calculating the compressor using ideal gas models, strong deviations of the operating parameters from the calculated ones occur, which can lead to non-fulfillment of the technical specifications, as well as to the formation of non-stationary processes. The correct choice of the gas reality accounting methodology allows us to bring the calculated data as close as possible to the experimental ones. Thus, the choice of the most accurate method of accounting for the reality of gas makes it possible to predict the experimental characteristics of the designed compressor even before conducting physical tests. There are many methods that allow us to take into account the reality of gas, namely, to calculate the compressibility factor using empirical formulas. In this paper, a comparison of four methods is presented, and the calculation of a centrifugal compressor is performed taking into account the values of the compressibility factor obtained according to these methods.
The calculated gas dynamic characteristics are compared with experimental data and discrepancies are revealed at different rotor speeds.
Keywords: ideal gas, compressibility factor, methane, adiabatic coefficient, natural gas, gas reality, centrifugal compressor.
O
IIS IBS N1
OS K o E h T x
>o
z A > O
1 o
O
< K
O o
Acknowledgments
The research is carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation No. 23-29-00200, https://rscf.ru/project/23-29-00200/
References
1. STO Gazprom 11-2005. Metodicheskiye ukazaniya po raschetu valovykh vybrosov uglevodorodov (summarno) v atmosferu v OAO «Gazprom» [STO Gazprom 11-2005. Guidelines for calculation of gross hydrocarbon emissions (total) into the atmosphere in OJSC «Gazprom»]. Moscow, 2007. 42 p. (In Russ.).
2. RD 153-39.0-112-2001. Metodika opredeleniya norm raskhoda i normativnoy potrebnosti v prirodnom gaze na sobstvennyye tekhnologicheskiye nuzhdy magistral'nogo transportnogo gaza [RD 153-39.0-112-2001. Methodology for determination of consumption norms and normative demand for natural gas for own technological needs of trunk transport gas]. Moscow, 2001. 53 p. (In Russ.).
3. ONTP 51-1-85. Obshchesoyuznyye normy tekhno-logicheskogo proyektirovaniya. Magistral'nyye truboprovody. Chast' 1. Gazoprovody [ONTP 51-1-85. All-Union norms of technological design. Trunk pipelines. Part 1. Gas pipelines]. Moscow, 1986. 95 p. (In Russ.).
4. STO Gazprom 2-3.5-051-06. Normy tekhnicheskogo proyektirovaniya magistral'nykh truboprovodov [STO Gazprom 2-3.5-051-06. Norms of technical design of trunk pipelines]. Moscow, 2006. 199 p. (In Russ.).
5. Sardanashvili S. A. Raschetnyye metody i algoritmy (truboprovodnyy transport gaza) [Calculation methods and algorithms (gas pipeline transport)]. Moscow, 2005. 577 p. ISBN 5-7246-0356-X. (In Russ.).
6. GOST 30319.2-96. Gaz prirodnyy. Metody rascheta fizicheskikh svoystv. Opredeleniye koeffitsiyenta szhimayemosti [GOST 30319.2-96. Natural gas. Methods of calculation of physical
properties. Definition of compressibility coefficient]. Moscow, 2000. 51 p. (In Russ.).
7. Strizhak L. Ya. Issledovaniye vliyaniya formy mezhlopatochnykh kanalov tsentrobezhnogo kompressornogo kolesa na ego kharakteristiki [Study influence of the shape of interblade channels of a centrifugal compressor wheel on its characteristics characteristics]. Leningrad, 1968. 235 p. (In Russ.).
8. PR 51-31323949-43-99. Metodicheskiye ukazaniya po provedeniyu teplotekhnicheskikh i gazodinamicheskikh raschetov pri ispytaniyakh gazoturbinnykh gazoperekachivayushchikh agregatov [PR 51-31323949-43-99. Guidelines for conducting heat engineering and gas-dynamic calculations for testing gas turbine gas pumping units] / Developers: V. A. Shchurovskiy, Yu. N. Sinitsyn, V. I. Korneyev [et al.]. URL: https://nd-gsi.ru/ntd/ pr/pr_51-31323949-43-99.pdf (accessed: 11.05.2024). (In Russ.).
9. Teplotekhnicheskiye raschety protsessov transporta i regazifikatsii prirodnykh gazov: sprav. posobiye [Thermal Engineering Calculations of Natural Gas Transportation and Regasification Processes: Reference Manual] / Podgot. V. A. Zagoruchenko, R. N. Bikchentay, A. K. Troshin [et al.]. Moscow, 1980. 319 p. (In Russ.).
10. STO Gazprom 2-3.5-113-2007. Metodika otsenki energoeffektivnosti gazotransportnykh ob"yektov i sistem [STO Gazprom 2-3.5-113-2007. Methodology of energy efficiency assessment of gas transmission facilities and systems]. Moscow, 2007. 54 p. (In Russ.).
11. Galerkin Yu. B., Rekstin A. F., Drozdov A. A., Soldato-va K. V., Solov'yeva O. A., Popova E. Yu. Proyektirovaniye tsentrobezhnykh kompressorov na osnove metoda universal'nogo modelirovaniya [Design of centrifugal compressors by means of a universal modelling method] // Vesti gazovoy nauki. Vesti Gazovoy Nauki. 2020. No. 2 (44). P. 92-109. EDN: PLNRUM. (In Russ.).
12. Galerkin Yu., Rekstin A., Soldatova K., Drozdov A., Solovyeva O., Semenovskiy V., Marenina L. The current state of the engineering method for the optimal gas-dynamic design and
calculation of centrifugal compressor // Energies 2020. Vol. 13 (21). 5651. DOI: 10.3390/en13215651. EDN: JWVXPO. (In Engl.).
13. Drozdov A. A., Galerkin Yu. B., Solov'yeva O. A., Soldatova K. V., Utsekhovskiy A. A. Matematicheskaya model' Metoda universal'nogo modelirovaniya 9-y versii: osobennosti i rezul'taty identifikatsii [Mathematical model of the 9th version universal modeling method: features and results of identification] // Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2020. Vol. 4, no. 4. P. 28-40. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-4-28-40. EDN: HBKFME. (In Russ.).
14. Solovyeva O., Galerkin Yu., Rekstin A., Soldatova K., Yusha V., Kabalyk K. Centrifugal compressor stage. Vaneless diffuser preliminary design by universal modeling method // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. 2020. Vol. 10, Issue 3. P. 1487914894. DOI: 10.24247/ijmperdjun20201417. (In Engl.).
15. Solovyeva O. A., Soldatova K. V., Galerkin Yu. B., Rekstin A. F. Pervichnoye proyektirovaniye bezlopatochnykh diffuzorov tsentrobezhnykh kompressornykh stupeney Metodom universal'nogo modeler [Primary design of vaneless diffusers of centrifugal compressor stages by the universal modeling method] // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroyeniye. Proceedings of Higher Educational Institutions. Machine Building. 2021. No. 3 (732). P. 39-52. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-3-3952. EDN: SYYIIG. (In Russ.).
16. Galerkin Yu. B., Drozdov A. A., Rekstin A. F., Solovyeva O. A., Semenovsky V. B. The Application Practice of the Universal Modeling Method 9th Version for Industry // Oil and Gas Engineering — AIP Conference Proceedings. 2021. Vol. 2412 (1). 030021. DOI: 10.1063/5.0075001. (In Engl.).
17. Drozdov A. A., Galerkin Y. B., Solovyeva O. A., Soldato-va K. V., Ucehovscy A. A. Development and identification of a mathematical model of centrifugal compressor stages using the universal modeling method // Oil and Gas Engineering — AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2285. 030057. DOI: 10.1063/5.0026727.18. (In Engl.).
18. Galerkin Yu. B., Drozdov A. A., Rekstin A. F., Solov'ye-va O. A., Semenovskiy V. B. Opyt prakticheskogo primeneniya Metoda universal'nogo modelirovaniya 9-y versii [Practical experience of the Universal Modeling Method 9th version] // Kompressornaya tekhnika i pnevmatika. Compressor Technology and Pneumatics. 2021. No. 1. P. 26-36. EDN: BKJHXG. (In Russ.).
19. Galerkin Yu. B., Drozdov A. A., Rekstin A. F., Solov'yeva O. A., Marenina L N. Matematicheskaya model' metoda universal'nogo modelirovaniya devyatoy versii dlya rascheta i proyektirovaniya tsentrobezhnykh kompressorov: identifikatsiya i verifikatsiya po eksperimental'nym dannym [Mathematical Model of the Universal Modeling Method Version 9 for the Calculation
and Design of Centrifugal Compressors: Identification and Verification from Experimental Data] // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N. E. Baumana. Ser. Mashinostroyeniye. Herald of the Bauman Moscow State Technical University Series Mechanical Engineering. 2022. No. 1 (140). P. 82-102. DOI: 10.18698/0236-3941-2022-1-82-102. EDN: WDTVUY. (In Russ.).
20. Galerkin Yu. B., Drozdov A. A., Rekstin A. F., Solovyeva O. A., Marenina L. N. Identification and verification of the universal modeling method mathematical model // Oil and Gas Engineering — AIP Conference Proceedings. 2023. Vol. 2784. 030001. DOI: 10.1063/5.0140618. (In Engl.).
SOLOVYEVA Olga Aleksandrovna, Candidate of
Technical Sciences, Associate Professor of Higher
School of Power Engineering, Institute of Power
Engineering, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic
University (SPbPU), Saint Petersburg.
SPIN-code: 4572-8002
AuthorID (RSCI): 703529
AuthorID (SCOPUS): 57220022694
ORCID: 0000-0001-5746-3071
ResearcherID: C-5456-2017
Correspondence address: [email protected]
SHARIKOV Ilya Sergeevich, Graduate Student of
Higher School of Power Engineering, Institute of Power
Engineering, SPbPU, Saint Petersburg.
Correspondence address: [email protected]
SADOVSKY Nikolay Ivanovich, Candidate of Technical
Sciences, Associate Professor of Higher School of
Power Engineering, Institute of Power Engineering,
SPbPU, Saint Petersburg.
SPIN-code: 2568-1299
AuthorID (RSCI): 120322
ORCID: 0000-0003-3494-5769
AuthorID (SCOPUS): 57221745249
ResearcherID: AAG-5818-2019
Correspondence address: [email protected]
For citations
Solovyeva O. A., Sharikov I. S., Sadovsky N. I. The influence of reality gas calculation methods on the gasdynamic characteristics of a gas pumping unit centrifugal compressor // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2024. Vol. 8, no. 3. P. 61-68. DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-61-68.
Received June 27, 2024.
© O. A. Solovyeva, I. S. Sharikov, N. I. Sadovsky
