|
Сумський державний університет
Бухолдін Юрій Сергійович
УДК 622.691
ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ РОБОТИ КОМПРЕСОРНИХ УСТАНОВОК
З БАГАТОКОРПУСНИМ ВІДЦЕНТРОВИМ КОМПРЕСОРОМ
І ГАЗОТУРБІННИМ ПРИВОДОМ ДЛЯ НАФТОВОЇ
ПРОМИСЛОВОСТІ
05.05.15- Вакуумна і компресорна техніка
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Суми - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в ВАТ “Сумське машинобудівне НВО ім. М.В. Фрунзе”.
Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Ванєєв Сергій Михайлович, кафедра холодильних і компресорних машин, інженерний факультет, Сумський державний університет Міністерства освіти і науки України
Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Бойко Людмила Георгіївна, завідуюча кафедрою газотурбінних двигунів та установок, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України
- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Єршов Сергій Володимирович, провідний науковий співробітник, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
Провідна установа - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.
Захист відбудеться “26” червня 2001 р. о 15 годині 00 хв.
на засіданні спеціалізованої вченої ради К55. 051.03 при Сумському державному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, (корп. ЛА, ауд. 215).
З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Сумського державного університету (40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2).
Автореферат розісланий “23” травня 2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савченко Є.M.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Розвиток і прискорене освоєння інтенсивних способів видобутку нафти, утилізації і переробки побіжного нафтового газу має дуже велике значення для України, оскільки наявні енергетичні ресурси країни обмежені, а імпортовані енергоресурси дорогі. Для вирішення проблеми необхідне створення високопродуктивних компресорних станцій (КС) і компресорних установок (КУ) з газотурбінним приводом (ГТП) у блочно-контейнерному виконанні з високим ступенем автоматизації і заводської готовності при низьких капітальних витратах на їхнє спорудження.
Відмінними рисами КУ для нафтової промисловості (НП) є: високі співвідношення тиску, що робить необхідним розбивку компресорної установки на секції, корпуси і агрегати та введення проміжного охолодження газу; зміна в широкому діапазоні експлуатаційних параметрів (тиску, температури і молярної маси газу (від 17 до 29 кг/кмоль і більше) і параметрів навколишнього середовища); наявність залежності хімічного складу газу на вході в секцію або корпус від фазових перетворень і відборів або підведень в технологічному контурі КУ; використання ГТП із регульованою частотою обертання силової турбіни, що потребує узгодження режимів роботи двигуна і компресора.
Методи проектування складних енерготехнологічних систем, що застосовуються в хімічній промисловості, не можуть бути цілком використані при проектуванні КУ НП, тому що вони засновані на розрахунку матеріально-теплового балансу тільки для розрахункового режиму роботи, згідно з яким підбирається технологічне устаткування, і не дозволяють одержувати характеристики технологічного обладнання при зміні умов експлуатації. Застосування ГТП ще більше ускладнює задачу у зв'язку з необхідністю оптимального вибору розрахункових значень максимальної потужності двигуна, частоти обертання силової турбіни, витрат паливного газу.
Тому проблема комплексного вирішення питань створення КС і КУ для нафтової промисловості з обов'язковим дослідженням на стадії проектування режимів роботи створюваних КУ з багатокорпусним відцентровим компресором (ВК) і ГТП у всьому діапазоні зміни експлуатаційних параметрів є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи пов'язана з дослідженнями і розробками, проведеними відповідно до Постанови Уряду від 20.08.1985 р. , № 797 “Про комплексний розвиток нафтової і газової промисловості в Західному Сибіру у 1986 - 1990 р.” і Національної програми “Нафта і газ України до 2010 р.”. У подальшому періоді робота виконувалася відповідно до планів НДР і ДКР, планів створення нової техніки ВАТ “Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе”.
Мета і задачі дослідження. Основною метою проведення досліджень є розробка методу розрахунку основних параметрів і характеристик устаткування компресорних установок з газотурбінним приводом для всього діапазону змін режимів роботи.
Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались наступні задачі:
- обґрунтувати необхідність досліджень на стадії проектування устаткування КУ НП режимів їх роботи у широкому діапазоні змін основних умов експлуатації (тиску і температури газу на вході і виході, молярної маси газу, витрат газу в різних точках технологічного контуру, параметрів навколишнього середовища); визначити основні напрямки і тематику досліджень;
- розробити математичну модель КУ з багатокорпусним ВК і ГТП з обліком відбору газу уздовж технологічного контуру;
- розробити методику визначення проектних параметрів ВК для КУ, для широкого діапазону змін умов експлуатації;
- реалізувати математичну модель у формі програмно-обчислювального комплексу, що дозволить досліджувати режими роботи компресорного та іншого технологічного устаткування КУ і КС у широкому діапазоні змін умов експлуатації;
- при використанні програмно-обчислювального комплексу виконати розрахунково-аналітичні дослідження режимів роботи і видати практичні рекомендації для проектування і доводки устаткування КУ газліфта нафти і транспорту нафтового газу, які експлуатуються в Україні, Росії і Туркменістані.
Досягнення поставленої мети і вирішення сформульованих задач дозволить розробити нову методику проектування компресорних установок з багатокорпусним ВК і ГТП, призначених для роботи в нафтовій промисловості в широкому діапазоні змін експлуатаційних параметрів.
Методи дослідження. При виконанні роботи застосовувалися теоретичні (системний аналіз, декомпозиційний метод - при розробці математичної моделі КУ, розрахунково-аналітичні - при проведенні обчислювального експерименту по дослідженню режимів роботи КУ) і експериментальні методи дослідження.
Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено метод розрахунку основних параметрів і характеристик устаткування КУ для роботи в широкому діапазоні змін експлуатаційних параметрів. Запропоновано методику визначення проектних параметрів ВК для КУ нП, що працюють у широкому діапазоні змін умов експлуатації.
Розроблено математичну модель КУ з багатокорпусним ВК і ГТП. Математична модель реалізована у вигляді програмно-обчислювального комплексу САРТУ-КС (система автоматизованих розрахунків технологічних установок компресорних станцій), у який входять програмні засоби для розрахунку і моделювання процесів стиснення і охолодження газу, фазових перетворень у газі.
У результаті виконаних досліджень стало можливим проведення обчислювального експерименту і одержання інформації про роботу всього обладнання в складі установки без створення на стадії розробки конструкторської документації дорогих у фінансовому відношенні експериментальних стендів.
Вірогідність результатів, одержаних в процесі наукових досліджень, підтверджується даними натурних випробувань, проведених в процесі доводки КУ в складі дослідно-промислової КС.
Практичне значення отриманих результатів. Практичним результатом дисертаційної роботи стала нова методика проектування КУ з багатокорпусним ВК і ГТП для широкого діапазону змін експлуатаційних параметрів, таких, як молярна маса газу, температура і тиск газу та ін.. Відповідно до цієї методики, на основі методу розрахунку основних параметрів устаткування і математичної моделі, розроблені компресорні установки для Анастасіївського родовища нафти АТ “УкрНАФТА”, для родовища “Барса-Гельмес” (Туркменістан) та ін., а також проведений аналіз режимів роботи і видані практичні рекомендації для ряду КУ, що експлуатуються у складі станцій газліфта нафти і транспорту побіжного нафтового газу в Західному Сибіру.
Реалізація результатів роботи підтверджена актами впровадження.
Особистий внесок здобувача полягає у створенні методики визначення розрахункових параметрів ВК для КУ, працюючих у широкому діапазоні змін умов експлуатації [3, 12] (див. список публікацій); у постановці задачі на розробку математичної моделі КУ з багатокорпусним ВК і ГТП [1, 2, 8, 10, 13]; у створенні методу розрахунку основних параметрів устаткування КУ [1, 2 , 11, 16]; у розробці методики проектування КУ з багатокорпусним ВК і ГТП для НП [4, 5,1 5]; у здійсненні керівництва і особистій участі в розробці технологічної частини проекту КУ для Анастасіївського родовища нафти АТ “УкрНАФТА”, а також у виконанні аналізу режимів роботи і видачі практичних рекомендацій по ряду КУ, які працюють у складі станцій газліфту нафти і транспорту побіжного нафтового газу в Західному Сибіру [6, 7, 9, 14].
Дві публікації підготовлені здобувачем без співавторів.
Апробація результатів дисертації. Апробація результатів дисертації проводилася на засіданнях кафедри холодильних і компресорних машин Сумського державного університету і науково-технічної ради ВАТ “Сумське НВО ім. М.В.Фрунзе”. Основні положення і висновки доповідалися і обговорювалися на всеукраїнських і міжнародних конференціях і симпозіумах: 5-й Всесоюзній науково-технічній конференції “Роль молодых конструкторов и исследователей химического машиностроения в реализации комплексных программ, направленных на ускорение научно-технического прогресса в отрасли” (м. Северодонецьк, 1986 р.); 8-й Всесоюзній і 9-й Міжнародній науково-технічних конференціях по компресоробудуванню (м. Суми, 1989 р. ; м. Казань, 1993 р.); 3, 4 і 5-й Українських науково-технічних конференціях “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 1998 р. ; м. Суми, 1999 р. ; м. Київ, 2000 р.); Першому і Третьому Міжнародних симпозіумах “Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования” (м. Санкт-Петербург, 1994 р. ; 1997 р.); науково-практичній конференції “Нафта і газ України” (м. Харків, 1996 р.).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 16 друкованих робіт, із котрих 6 - у збірниках наукових праць і журналах, що входять у перелік спеціальних видань, затверджених ВАК України, 1 - в науково-технічному журналі асоціації компресорщиків і пневматиків Росії, 9 - у матеріалах і тезах доповідей всеукраїнських і міжнародних конференцій і симпозіумів.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація містить у собі вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел, що нараховує 164 найменування. Загальний обсяг дисертації 258 сторінок, у тому числі 155 сторінок основного тексту, 28 таблиць, 66 ілюстрацій.
ОСНОВНий ЗМіСТ РОБОТИ
Вступ дисертаційної роботи містить наступні положення: актуальність теми; мета і задачі дослідження; наукова новизна отриманих результатів; практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача. Приведена інформація про апробацію результатів роботи, публікації, структуру і обсяг дисертації.
У першому розділі розглядаються: стан і тенденції розвитку компресорного обладнання для НП; основні характеристики блочно-комплектних КУ з ВК і ГТП авіаційного типу; існуючі методи проектування і дослідження режимів роботи КС і КУ; проблеми вибору методу розрахунку теплофізичних властивостей багатокомпонентних вуглеводневих сумішей; мета і задачі досліджень.
Аналіз характеристик компресорного обладнання, застосовуваного в НП, показав, що в його розвитку намітилася тенденція збільшення одиничної потужності КУ і використання в їхньому складі ВК з ГТП.
Методи проектування раніше створених компресорних станцій і установок грунтувалися на досвіді розробки технологічних ліній для хімічних виробництв із жорстко заданими параметрами процесу. У ході промислової експлуатації цих КС були виявлені негативні особливості їхньої роботи, обумовлені неминучими змінами параметрів технологічного процесу (хімічного складу газу, його тиску і температури, продуктивності і т.п.) і навколишнього середовища (температури і тиску атмосферного повітря).
Вилучення вказаних проблем в роботі КУ можливе за умови дослідження всього діапазону очікуваних режимів роботи на стадії проектування. Єдиним можливим інструментом для вирішення проблеми з урахуванням складності і масштабності об'єкта, а також високої вартості натурного експерименту, є метод системного аналізу, що включає: сам системний аналіз, розробку математичної моделі, створення програмно-обчислювального комплексу і розрахунково-теоретичний аналіз.
На основі аналізу КУ, як складної енерготехнологічної системи, і відомих методів моделювання обґрунтована необхідність створення математичної моделі установки з застосуванням декомпозиційного підходу.
Критичний огляд існуючих методів розрахунку теплофізичних властивостей багатокомпонентних вуглеводневих сумішей дозволив відібрати для використання при дослідженнях КУ НП ряд модифікацій рівняння Ван-дер-Ваальса і рівняння стану Бенедікта-Вебба-Рубіна з поправками Орея.
На основі результатів огляду літератури сформульовані висновки про актуальність теми досліджень, визначена мета роботи і поставлені задачі дослідження.
В другому розділі розглянуті особливості робочих середовищ і процесів КУ НП, технологічні і структурні схеми установок, основні питання математичного моделювання КУ, постановка задачі моделювання, розробка математичної моделі і програмно-обчіслювального комплексу для проектування і розрахунково-теоретичних досліджень КУ НП.
Проведений аналіз робочих середовищ КУ НП показав, що їх хімічний склад і агрегатний стан окремих компонентів може змінюватись у широких межах в залежності від родовища і режимів експлуатації і істотно впливати як на роботу установок, так і на вибір обладнання, що входить до їх складу.
З урахуванням специфіки робочих середовищ, технологічних і структурних схем діючого устаткування розроблена типова структурна схема КУ НП (рис. 1).
Для побудови математичної моделі КУ НП використаний евристико-еволюційний декомпозиційний підхід. Основними припущеннями, прийнятими при постановці задачі моделювання КУ, є:
- робочий процес установки, заданий як сукупність технологічних процесів на всіх ступенях стиснення і вважається сталим;
- газотурбінний привод ВК, заданий сукупністю інтегральних залежностей
 ;  ;  , де  - частота обертання силової турбіни;  - відповідно, температура і тиск атмосферного повітря;
- система охолодження забезпечує необхідні параметри стискуваного газу;
- теплофізичні процеси, що відбуваються в сепараторах тонкого очищення, не враховуються;
- вплив водяного пару і краплинної рідини при розрахунку процесу стискування газу в компресорі, а також вплив відкладень у проточній частині ВК і технологічному контурі не враховуються;
- наявність мультиплікатора при розрахунку газодинамічних характеристик ВК враховується введенням у розрахунок розміру передаточного відношення. Використання цих припущень дозволило істотно скоротити розмірність розв'язуваної задачі.
В основу розробленої математичної моделі КУ НП покладені розрахункові і експериментальні залежності, отримані СКБ турбокомпресорних машин ВАТ“Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе” й іншими організаціями, що спеціалізуються в області ВК, теплообмінного і масообмінного обладнання і у суміжних областях.
У загальному вигляді математична модель КУ являє собою систему модельних модулів, що відображають окремі елементи (процеси) технологічної схеми. Система описується векторним рівнянням виду:
 , (1)
де  - відповідно, вектори вхідних, вихідних і керуючих перемінних у
 -му модулі. У свою чергу,  ;  .
Взаємодія окремих модулів системи (1) визначається рівнянням зв'язку
 ,
який означає, що  -а вхідна перемінна  -го модуля є одночасно  -ю вихідною перемінною  -го блоку, тобто показує порядок з'єднання окремих елементів і процесів у технологічній схемі і забезпечує передачу параметрів потоку між ними. Таким чином, рішення задачі моделювання дискретних статичних режимів роботи КУ звелося до розробки математичних моделей окремих технологічних процесів і наступного їх об'єднання в єдиний комплекс за допомогою рівняння зв'язку.
Блок-схема математичної моделі типової КУ НП подана на рис. 2.
Для реалізації математичної моделі КУ НП створено програмний комплекс, до складу якого входять: керуюча програма; комплекс програм розрахунку теплофізичних властивостей газових сумішей; банк фізико-хімічних властивостей індивідуальних компонентів; бібліотека моделюючих модулів.
Алгоритм розрахунку процесу стиснення газу в ВК без проміжного охолодження газу створений на базі відомих залежностей теорії турбомашин і використовується при одержанні газодинамічних характеристик компресора. У результаті розрахунку процесу стиснення газу в ВК,
Рис. 2. Блок-схема математичної моделі КУ НП
у відповідності до запропонованого алгоритму, одержують газодинамічні характеристики компресора для заданого діапазону умов його роботи.
Для ГТП КУ потрібна подача паливного газу з тиском 2,4 - 4,5МПа. Переважно здійснюють відбір паливного газу на виході з корпуса (секції) ВК з тиском газу, близьким до необхідного. У цьому випадку, алгоритм розрахунку процесу стиснення необхідно доповнити залежностями, що дозволяють визначити необхідну витрату паливного газу. Початкове значення цієї витрати задається
 , (2)
де  - масова витрата технологічного газу через ВК, кг/с.
Потім за допомогою алгоритму розрахунку процесу стиснення визначають характеристики ВК і, в першу чергу, значення приведеної потужності компресора  . По хімічному складі паливного газу знаходять його теплотворну спроможність  , Дж/кг.
Залежність для розрахунку масової витрати  має вигляд
 , (3)
де  - масова витрата паливного газу з нижчою теплотворною спроможністю  = 43325 Дж/кг на номінальному режимі ГТП;
 - коефіцієнт, що характеризує залежність потужності двигуна від температури атмосферного повітря;
 - відповідно, приведені температура і тиск атмосферного повітря.
Для другого наближення приймають  . Розрахунок витрати паливного газу з використанням залежностей (2) і (3) виконується в ітеративному циклі до досягнення нерівності  .
Алгоритми розрахунку характеристик інших структурних елементів, що входять до складу КУ НП, розроблені на основі відомих методик організацій, що спеціалізуються з питань переробки газу і хімічних технологій. Усі методики і алгоритми були піддані доробці для використання в складі математичної моделі КУ, пройшли апробацію і пристосовані до спільної роботи в єдиному програмно-обчислювальному комплексі.
Таким чином, була розроблена математична модель КУ НП і програмно-обчислювальний комплекс для її реалізації.
У третьому розділі розглянуті: методика визначення проектних параметрів ВК; аналіз особливостей роботи ГТП і системи охолодження газу в складі КУ; результати розрахунково-теоретичних досліджень режимів роботи КУ газліфту нафти потужністю 16 МВт.
Розроблено слідуючу методику визначення проектних параметрів відцентрового компресора КУ НП:
- спочатку визначається число корпусів (секцій) стиснення ВК. При цьому розбивка політропної роботи робиться або по кінцевій максимально допустимій температурі газу на виході з корпусу (секції), або за умовою мінімуму витрат роботи на стиснення газу;
- визначається питома політропна робота стиснення компресора
 з найменшою молярною масою  :
 , (4)
де z – число секцій компресора;
- визначається максимально необхідна потужність приводу
 ,
де  - відповідно, політропний і механічний ККД КУ;
- об'ємна продуктивність КУ, що відповідає
 і 
 ,
де  - густина газу з молярною масою  , кг/м3;
- питома політропна робота
 стиснення газу із  визначається по залежності аналогічній (4) для  , Дж/кгЧК.
- при допущенні про незмінність коефіцієнта напору ступенів компресора при
 , визначається співвідношення частот обертання ротора ВК при стисненні газу з  і 
 ;
- об'ємна продуктивність ВК при стисненні газу з
 буде дорівнювати
| 
