Влияние динамических характеристик многоступенчатого двухпоточного компрессора на режим пуска и вывода в сеть Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621

И. Г. Хисамеев, А. Г. Сафиуллин, И. Ф. Хуснутдинов, С. А. Алатарцев,

Я. З. Гузельбаев, А. Т. Лунев, В. Е. Макаров

ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ДВУХПОТОЧНОГО КОМПРЕССОРА НА РЕЖИМ ПУСКА И ВЫВОДА В СЕТЬ

Ключевые слова: двухпоточный центробежный компрессор, газодинамические характеристики, запуск, останов, вывод в сеть, рассогласование секций (ступеней), помпаж.

В статье приведен расчетный анализ взаимного влияния газодинамических характеристик многоступенчатого двухпоточного центробежного компрессора, на примере турбоприводного компрессорного агрегата 66ГЦ-1162/1,3-38 ГТУ изготовленного на ОАО "Казанькомпрессормаш" и введенного в эксплуатацию на ОАО "Южно - Балыкском ГПК", г. Пыть-Ях.

Key words: double-flow centrifugal compressor, gas-dynamic characteristics, start-up, shut-down, bringing to the gas

system, mismatch of sections (stages), surge.

The article presentsthe analysis of reciprocal influence of gas-dynamic characteristics of multistage double-flow centrifugal compressor considering a specific example of turbine-driven compressor unit 66ГЦ-1162/1,3-38 ГТУ manufactured at OAO "Kazancompressormash" and commissioned at OAO "Yuzhno-Balyksky GPK", Pyt-Yakh.

Компрессорное оборудование является высоко энергоемким и дорогостоящим оборудованием, оно обеспечивает протекание технологических процессов, и поэтому к надежной работе этого оборудования предъявляются повышенные требования. При этом данное оборудование не является отдельным, обособленным элементом технологической цепочки. Оно связанно с всем технологическим оборудованием, в связи с чем надежность и стабильность работы его можно рассматривать только в совокупности с работой данных технологических элементов или же газового тракта. В настоящее время основным компрессорным оборудованием на нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях являются центробежные компрессоры. Современные компрессоры представляют собой сложные многоступенчатые машины, которые могут состоять из нескольких корпусов сжатия. При этом каждый корпус также может содержать несколько секций, а каждая секция содержит от 1 до 12 ступеней сжатия (рабочих колес).

Процессы запуска и останова центробежных компрессоров отличаются высокой динамичностью и нестационарностью. Сами по себе эти процессы кратковременные, многофакторные, трудно поддающиеся математическому описанию. Одновременное изменение параметров компрессора и динамических свойств сети, связанное: с

переключением регулирующей, запорной и отсечной арматуры; увеличением (уменьшением) частоты вращения ротора; параллельной или последовательной работой секций или корпусов сжатия компрессора - вызывают определенные трудности при выполнении оперативного анализа указанных процессов, особенно при вынужденных (аварийных) остановах компрессора со сбросом технологического газа на факел или на свечу. Отключение привода, но продолжающаяся работа сжатия газа на выбеге ротора с постоянно изменяющейся динамической характеристикой сети приводят к нерасчетным условиям работы компрессора. Таким образом, запуск и вывод на рабочий режим таких многосекционных высоконапорных компрессоров представляет собой сложный процесс, так как требует учёта взаимодействия как самих секций компрессора между собой, так и их взаимодействия с газовым трактом, включающим в себя систему трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой и различными технологическими емкостями. [3].

Одним из таких компрессоров является турбоприводной компрессорный агрегат 66ГЦ-1162/1,3-38ГТУ ( см. рис. 1 ) с приводом от газотурбинного двигателя ( ГТД ) мощностью 16

МВт спроектированный ЗАО "НИИТурбокомпрессор им В.Б.Шнеппа" и изготовленный на ОАО"Казанькомпрессормаш". Компрессор состоит из двух корпусов и 4 секций. Первый корпус низкого давления (КНД) состоит из двух параллельно работающих секций по 3 ступени сжатия в каждой. Второй корпус высокого давления (КВД) также из двух последовательно работающих секций по 4 ступени в каждой. Привод компрессора осуществляется от газовой турбины НК-16СТ через мультипликатор с передаточным отношением 1,36. Данный компрессор предназначен для компримирования низконапорного попутного нефтяного газа, поступающего с месторождений ООО «РН-Юганскнефтегаз», а также смеси газов второй ступени и концевых ступеней сепарации нефти с Мамонтовской ЦПС до давления 37,74 кгс/см2 для дальнейшей его переработки на УПГ-1 и УПГ-2. Место установки: ОАО "Южно - Балыкский ГПК", г. Пыть-Ях, Тюменская область.

Рис. 1 - Турбоприводной компрессорный агрегат 66ГЦ-1162/1,3-38ГТУ

В ходе пуско-наладочных работ и особенно при первых запусках компрессора 66ГЦ-1162/1,3-38ГТУ возникли сложные ситуации с выводом его на рабочий режим. При работе на режиме "холостого хода" по ГТД на частоте вращения близких к 3500 об/мин по свободной турбине (СТ), что соответствовало частоте вращения ротора компрессора 4760 об/мин возникал помпаж одной из первой параллельно работающей секции. В результате происходило повышение вибрации компрессора, а также происходило повышение температуры на входе до 90 С и на выходе до 150 С одной из параллельно работающей секции КНД. Всё это не позволяло проводить дальнейший набор частоты вращения и выход на конечное расчетное давление. При этом байпасный клапан, установленный на нагнетании компрессора, после 3 секции был полностью открыт. Упрощенная схема подключения компрессора приведена на рисунке 2. Газовый тракт компрессора включает в себя систему газопроводов, холодильники газа, сепараторы, обратный клапан, байпасный клапан, аптипомпажное сопло и сужающее устройство на выходе с необходимыми датчиками замера параметров газового потока.

В связи с тем, что в ходе эксплуатации начальные параметры по газу могут меняться, данный компрессор должен обеспечивать работоспособность в достаточно широком диапазоне по расходу и изменению состава газа, так и различных давлениях и температуры на входе в компрессор. Также надо отметить указанный компрессорный агрегат работает в условиях изменения плотности газа от ступени к ступени, поэтому в процессе сжатия на нерасчетных режимах может произойти рассогласование ступеней, что связанно с несоответствием параметров на входе в ступень с расчетными интервалами для данных ступеней.

Рис. 2 - Схема газовая компрессорного агрегата 66ГЦ-1162/1,3-38ГТУ

При работе КНД в диапазоне расходов от Ут|п до Утах , КВД должен работать в соответствующем диапазоне расходов который ограничивается соотношением (Ут|п )ркНд/рквд до ^тах)ркНд/ркВд (где р - плотность газа на входе в КНД и КВД) [2]. Но так как плотность газа на входе в КВД зависит от давления нагнетания КНД, при этом давление нагнетания зависит от политропного напора, который пропорционален квадрату отношения частот вращения ротора Н=Но(п/По) . При изменении частоты вращении выше или ниже определенной величины наступает рассогласование корпусов (ступеней) компрессора связанное с тем, что изменение давления нагнетании происходит быстрее, чем изменение объемной производительности, которая пропорциональна отношению частот вращения У=Уо(п/По).

В ходе анализа трендов, полученных в ходе первых запусков, а также дополнительных газодинамических расчетов, было выяснено, что причиной начала помпажа первых секций, является возникающая рассогласованность на нерасчетных режимах между КНД и КВД.

По газодинамическим характеристикам компрессора в расширенном диапазоне частот вращения (4500 - 7500 об/мин) была определена зависимости изменения расходов и давления нагнетания КНД и КВД от частоты вращения (рис. 3). А так же определена зависимость разницы расходов КНД и КВД от частоты вращения ротора. Р(п)=ЬО где: ЬО=ОКНд - ОКВд .

График совместной работы КНД и КВД компрессорного агрегата 66ГЦ-1162/1,3-38ГТУ приведен на рисунке 4. Из графика видно, что оба корпуса могут устойчиво работать, обеспечивая одинаковую пропускную способность только в узком диапазоне оборотов, начиная с 6200 об/мин и выше.

На основе газодинамических характеристик секций КНД и КВД (рис. 3) и зависимости производительности корпусов компрессора от частоты вращения, видно, что расход проходящий через КВД на частоте вращения ротора компрессора близкой к 4000 - 4500 об/мин в два раза меньше чем расход КНД. По этой причине в указанной области происходило резкое повышение давления между корпусами и наступал помпаж одной из секции КНД. Газ в одной из параллельно работающей секции двигался в обратном направлении, так как гидравлическое сопротивление одной секции КВД (3 ступени сжатия) оказывалось меньше гидравлического сопротивления двух секций КВД (8 ступеней сжатия).

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

3.5

2.0

75 00 об/м ИН у ~~Г ч

7000 / \

Рабо чая точка ^ / і х/ \

65(1 0 /ч

6000 и / \

5500 у { / N \

5000 / 1 / 7 / " X

450 0 V- ч —

/ /

/

40 60 80 100 120 140 160

норн, произв-ность (р-і.озз т=273і. гк куб.м/мяс

100.

КВД компрессора 66ГЦ-1 162/1,3-38 ГТУ

60:

40:

20

0:

500 о б/мин

то / *

65 30 / N / / /

60 )0 / /> / г ^ /

/ >000 ^ / < /у

тттттттптг тттптг тпптг ГТПТПТГГІ тптттттт ТПТПТ7Т ТТТТТТТТТІ ТПТПТГп тттптг

норм, произв-носгь (Р-1.033 т=2?зі. гас к«б.м/чйс

Рис. 3 - Характеристика КНД и КВД компрессорного агрегата 66ГЦ-1162/1,3-38ГТУ

о

О

0 03 т

со

1 _0

о

0

1 _0 Ц О) I—

СІ

о

со

со

2 О

о.

с

140

120

100

80

60

40

20

О

-- 1 1 —КНДма —в—КНДми —а— КВДма —л- КВДми X н

X н

М і

V

4 / / ( / У V Г

«4 У' Г ^ Г /

_.—-I ’ 1- ^ —

1000 2000 3000 4000 5000 6000

частота вращения компрессора, об/мин

7000

Рис. 4 - График совместной работы КНД и КВД 66ГЦ-1162/1,3-38ГТУ

компрессорного агрегата

В результате обратного тока газа в одной из секции КНД, расход КНД уменьшился соответственно в 2 раза, а так же в результате помпажа возникли резкие колебания давления на нагнетании КНД и соответственно на входе в КВД, всё это приводило и к помпажу КВД. При этом надо отметить первоначально помпаж мог наступить, как в одной, так и в другой секции КНД.

На основе вышеизложенного анализа газодинамических характеристик секций КНД и КВД и трендов аварийных остановов для дальнейшей безопасной эксплуатации турбокомпрессорного агрегата 66ГЦ-1162/1,3-38ГТУ специалистами ЗАО "НИИТК" были предложены меры:

1. внесены изменения в газовый тракт турбокомпрессора, в частности введены дополнительные байпасные клапана. На КНД установлен отдельный байпасный клапан (КД102). На КВД установлен дополнительный байпасный клапан (КД103).

2. в САУ агрегата введен алгоритм управления байпасными клапанами в зависимости от частоты вращения, а также сокращено время выхода на рабочие частоты вращения до минимально возможного значения.

Все эти мероприятия позволили в дальнейшем обеспечить устойчивую и надежную эксплуатацию агрегата на всех режимах работы.

Таким образом, при проектировании компрессоров необходимо в обязательном порядке на основе расчетных газодинамических характеристик проводить анализ работы каждой из секции и взаимосвязь их в процессе работы на переменных режимах с учетом положения байпасных клапанов.

Литература

1. Максимов, В.А. Компрессорное и холодильное машиностроение на современном этапе / В .А. Максимов, А.А. Мифтахов, И.Г.Хисамеев//Вестник Казан. технол. ун-та. - 1998. - №1. -С.104-113.

2. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины / Рис В.Ф. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1981. - 351 с.

3. Хисамеев, И.Г. Проектирование и эксплуатация промышленных центробежных компрессоров / Хисамеев И.Г. Максимов В.А, Баткис Г.С. Гузельбаев Я.З. - Казань: Изд-во "ФЭН", 2010. - 671с.

© И. Г. Хисамеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. холодильной техники и технологии КНИТУ; А. Г. Сафиуллин - нач. бюро ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа"; И. Ф. Хуснутдинов - нач. бюро ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа"; С. А. Алатарцев - гл. инж. ОАО "Южно-Балыкский ГПК"; Я. З. Гузельбаев - канд. техн. наук, гл. конструктор отделений центробежных компрессоров и автоматизации, ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа»; А. Т. Лунев - канд. техн. наук, нач. отдела ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа"; В. Е. Макаров - гл. спец. ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа".