 ; (5)
- шуканий розмір потужності, споживаної ВК при стиснення газу з 
 . (6)
Після визначення  і  по залежностях (5) і (6) з урахуванням інших вихідних даних здійснюється проектування проточних частин корпусів (секцій) ВК з побудовою його проектних газодинамічних характеристик.
Виконано аналіз особливостей роботи газотурбінного приводу КУ НП у залежності від кліматичних характеристик КС і режимних параметрів ВК.
Розглянуто питання роботи системи охолодження газу КУ НП і зроблений висновок про доцільність обліку втрат у газоохолоджувачах на різних режимах у вигляді залежності величини гідравлічних втрат від масової витрати.
За допомогою запропонованої математичної моделі в якості її первинної апробації виконане дослідження режимів роботи КУ для газліфта нафти з приводом потужністю 16 МВт. Основою для розрахунків стали експериментальні характеристики ВК, отримані в період заводських і експлуатаційних випробувань. У результаті проведених досліджень установлені чисельні межі впливу на характеристики КУ зміни таких параметрів, як тиск і температура газу, недоохолодження газу після корпусу низького тиску, молярної маси газу (рис. 3), а також параметрів навколишнього середовища.
Розглянуті вище методики ввійшли, як складові частини, у метод розрахунку основних параметрів і характеристик устаткування КУ з багатокорпусним ВК і ГТП. Метод включає: визначення за допомогою розробленої методики проектних параметрів багатокорпусного компресора; аналіз особливостей ГТП авіаційного типу, охолоджувачів газу і сепараторів у складі КУ; розрахунок проточної частини ВК по відомих методиках; проведення обчислювального експерименту за допомогою програмно-обчислювального комплексу в широкому діапазоні зміни умов експлуатації; аналіз результатів обчислювального експерименту.
Дано рекомендації по доробці проточних частин компресорів КУ, поставлених ВАТ “Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе” в Західний Сибір і Туркменістан. Наступна експлуатація КУ підтвердила обґрунтованість цих рекомендацій.
Четвертий розділ містить: опис методичних основ проектування блочно-комплектних КУ для НП; опис конструкції і складу КС газліфта нафти з ГТП потужністю 6,3 МВт; розрахунковий аналіз режимів роботи КУ цієї КС за допомогою програмно-обчислювального комплексу; опис програми і методики експериментальних досліджень; аналіз результатів випробувань КУ газліфта нафти.
Суть процесу проектування блочно-комплектних КУ полягає у виконанні визначеної послідовності операцій. До основних з них відносяться: вибір структури і визначення складу основних елементів технологічної схеми; визначення проектних параметрів ЦК; розрахунок проточних частин і характеристик ЦК; проведення обчислювального експерименту по дослідженню режимів роботи КУ; добір серійного устаткування; розробка вихідних вимог на створення газових охолоджувачів, сепараторів і іншого устаткування ; упорядкування балансу теплоспоживання і т.п.. Завершальною операцією є розробка технічного завдання на проектування КУ.
Приведено опис конструкції, технологічної схеми і особливостей робочого процесу блочно-комплектної КС газліфта нафти на основі КУ з ГТП потужністю 6,3 МВт, що стала об'єктом впровадження рекомендацій і методик проектування, а також об'єктом для проведення розрахунково-теоретичного аналізу і експериментальних досліджень в умовах експлуатації для перевірки адекватності запропонованих моделей і методик.
Програма експериментальних досліджень включала механічні і газодинамічні випробування ВК на дослідно-промисловій установці, створеній на КС газліфта нафти. Для зняття характеристик секцій ВК додатково до штатних приладів установка була оснащена контрольно-вимірювальними приладами підвищеного класу точності. Розташування контрольних перетинів, методики і програма експерименту, критерії для оцінки ефективності відповідали нормам і правилам, прийнятим при дослідженні турбомашин.
Опрацювання результатів експериментальних досліджень здійснювалося за допомогою інформаційно-вимірювального комплексу на базі ПЭОМ. Виконано оцінку помилок вимірів і похибок опрацювання дослідних даних. Для секції низького тиску ВК КУ Анастасіївського родовища, наприклад, відносна середньоквадратична похибка визначення політропного ККД на номінальному режимі дорівнює 1,47%, коефіцієнта політропного напору – 1,1%.
У результаті проведення комплексу натурних випробувань отримано задовільний збіг експериментальних і розрахункових характеристик, використаних при проектуванні КУ. Відносне середньоквадратичне відхилення кінцевого тиску КУ, одержане в результаті експериментальних досліджень від розрахункової величини не перевищує 3,1% (рис. 4).
Шляхом порівняння розрахункової розмірної характеристики КУ з характеристиками, отриманими на основі експериментальних даних, підтверджені основні положення створеного методу розрахунку основних параметрів і характеристик компресорної установки для нафтової промисловості з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом.
ВИСНОВКИ
У дисертації приведені теоретичні узагальнення і нове рішення наукової задачі, що полягає в розробці методу розрахунку основних параметрів і характеристик устаткування компресорних установок з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом для нафтової промисловості у всьому діапазоні режимів роботи на основі використання математичної моделі установки і який може бути використаний для проектування, а також дослідження і удосконалення таких установок ще на стадії розробки конструкторської документації.
Головні наукові і практичні результати роботи полягають у тому, що:
1. Проведено аналіз технологічних і структурних схем компресорних установок, на основі якого розроблена типова структурна схема установки для стиснення нафтового газу. При використанні системного аналізу і декомпозиційного підходу створена математична модель компресорної установки з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом.
2. Розроблено алгоритми і програмні засоби для реалізації математичної моделі компресорної установки. Розроблено алгоритми розрахунку газодинамічних характеристик процесу стиснення у відцентровому компресорі та процесу стиснення з обліком відбору паливного газу для газотурбінного приводу.
3. Вперше розроблено програмно-обчислювальний комплекс, що дозволяє досліджувати режими роботи компресорних установок у широкому діапазоні змін експлуатаційних параметрів.
4. Вперше розроблено метод розрахунку основних параметрів і характеристик компресорних установок нафтової промисловості, що включає в себе: нову методику визначення проектних параметрів багатокорпусного відцентрового компресора, що забезпечує ефективну роботу в усьому діапазонів режимів експлуатації; аналіз особливостей роботи складових елементів установки; розрахунок проточної частини відцентрового компресора з використанням відомих залежностей; проведення обчислювального експерименту по дослідженню режимів роботи компресорних установок за допомогою програмно-обчислювального комплексу; аналіз результатів обчислювального експерименту з прийняттям рішень по складу обладнання, необхідності коригування характеристик відцентрового компресора, охолоджувачів газу і сепараторів. Застосування цього методу дало можливість ще на стадії проектування КУ провести дослідження режимів роботи і одержати такі значення газодинамічних та геометричних параметрів компресного, газоохолоджувального і сепараційного обладнання, які дозволили забезпечити ефективну роботу установки у всьому діапазоні змін умов експлуатації, а також виробити рекомендації для доводки діючих КУ.
5. Основним практичним результатом виконаної роботи стала нова методика проектування компресорних установок з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом для всього діапазону змін експлуатаційних параметрів. По цій методиці на основі вищевказаних методів розрахунку основних параметрів обладнання і математичної моделі розроблені компресорні установки для Анастасіївського родовища нафти АТ “УкрНАФТА”, для родовища “Барса-Гельмес” (Туркменістан) та інших.
6. Результати роботи використовуються у ВАТ“Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе” при проведенні НДР і ДКР, а також у створенні компресорних станцій і установок для нафтової і газової промисловості. Реалізація роботи підтверджена актами впровадження.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА
ЗА ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ
Основні результати дисертації опубліковані в 16 роботах. Збірники наукових праць і науково-технічні журнали:
1. Проектирование блочно-комплектных компрессорных установок с использованием комплекса САРТУ-КС / А.Б. Братков, Ю.С. Бухолдин, В. П. Парафейник, О.Г. Голубков // Химическое и нефтяное машиностроение.-1989.-№8.- С. 22-26.
2. Парафейник В.П., Бухолдин Ю.С, Братков А.Б. Программно-вычислительный комплекс САРТУ-КС для проектирования и исследования компрессорных станций нефтяной и газовой промышленности // Химическое и нефтяное машиностроение.-1990.-№7.-с. 21-22.
3. Парафейник В.П., Довженко В.Н., Бухолдин Ю.С. Выбор проектных параметров центробежных компрессоров с газотурбинным приводом для нефтяной промышленности // Компрессорная техника и пневматика.-1994.-Вып.3.-с.66-69.
4. Парафейник В. П., Бухолдин Ю.С., Довженко В.Н. Проектирование блочно-комплектных компрессорных станций и установок // Химическое и нефтяное машиностроение.-1995.-№ 9.-с.16-20.
5. Бухолдин Ю.С. Особенности компрессорных станций для нефтяной промышленности с приводом компрессоров от газотурбинных двигателей и разработка новых методов их проектирования // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. - К., 1999.-Вып. 35.-с. 241-245.
6. Бухолдин Ю. С., Парафейник В.П., Ванеев С.М. Исследование режимов работы компрессорных установок Анастасьевской КС при работе на нефтяном газе с различной молекулярной массой // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. -К., 1999.-Вып. 36, том 1.-с.256-262.
7. Бухолдин Ю.С., Ванеев С.М. Анализ влияния различных эксплуатационных параметров на характеристики компрессорных установок для нефтяной промышленности // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. –К.,2000.-Вып. 38, том 1.- С.267-272.
Праці, опубліковані по результатам всеукраїнських і міжнародних конференцій та симпозіумів:
8. Бухолдин Ю. С. Методические основы создания математической модели компрессора газлифтной установки // Тезисы докладов Всесоюзн. науч.-техн. конф. “Роль молодых конструкторов и исследователей химического машиностроения в реализации целевых комплексных программ, направленных на ускорение научн.-техн. прогресса в отрасли”. - М: ЦИНТИхимнефтемаш.-1986.-с.85.
9. Программно-вычислительный комплекс САРТУ-КС для проектирования компрессорных установок нефтяной и газовой промышленности / Ю.С. Бухолдин, В.П. Парафейник, О.Г. Голубков, А.Б. Братков // Тезисы докл. 8-й Всесоюзн. научн.-техн. конф. по компрессоростроению (Сумы, 10-12 окт. 1989 г.). - М.: ЦИНТИхимнефтемаш.- 1989.Часть 1.-с. 153-154
10. Исследование характеристик компрессорных установок для станций газлифтной добычи нефти и сайклинг-процесса с применением программно-вычислительного комплекса САРТУ КС / А.Б. Братков, Ю.С. Бухолдин, В.П. Парафейник, Г.А. Бондаренко // Тезисы докл. 8-й Всесоюзн. научн.-техн. конф. по компрессоростроению (Сумы, 10-12 окт.1989 г.). - М: ЦИНТИхимнефтемаш. 1989. Часть 1.-с. 154.
11. Анализ характеристик и методика проектирования центробежного компрессора для установок газлифта нефти с использованием программно-вычислительного комплекса САРТУ-КС / В.П. Парафейник, Г.А. Бондаренко, Ю.С. Бухолдин, А.Б. Братков // Материалы 8-й Всесоюзн. научн.-техн. конф. по компрессоростроению. - Сумы: ВНИИкомпрессормаш.-1991.-с. 177-193.
12. Парафейник В.П., Довженко В.Н., Бухолдин Ю.С. Выбор проектных параметров центробежных компрессоров с газотурбинным приводом для газовой и нефтяной промышленности // Тезисы докл. 9-й Междунар. научн.-техн. конф. по компрессоростроению. – Казань: АО “НИИтурбокомпрессор.-1993.-с. 5-6.
13. Компрессорные станции нефтяной промышленности для транспорта нефтяного газа на основе турбокомпрессорных агрегатов с авиационным приводом / В.И. Кобзистый, Ю.С. Бухолдин. В.П. Парафейник, Н.И. Калашников // Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования: Труды симпозиума. Докл. и тезисы докл., Часть II (С.-Петербург, 24-25 мая 1994 г.).- С.-Пб.- 1994.- с. 235-240.
14. Блочно-комплектная компрессорная станция на базе турбокомпрессорных агрегатов мощностью 6,3 МВт с газотурбинным приводом для газлифтной добычи нефти / В.И. Кобзистый, Ю.С. Бухолдин, Е.Л. Фурса, В.М. Татаринов // Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования: Труды симпозиума. Докл. и тезисы докл., Часть II (С.-Петербург, 24-25 мая 1994 г.), - С.-Пб.- 1994.-с. 241-244.
15. Парафейник В.П., Бухолдин Ю.С. Методология проектирования блочно-комплектных компрессорных установок для газовой и нефтяной промышленности// Матерiали наук.-практ. конф. “Нафта i газ України” (Харкiв, 14-16 травня 1996г.).- Харкiв: УНГА.-1996. –том 3.-с. 99-100.
16. Бухолдин Ю.С., Парафейник В.П. Создание блочно-комплектного оборудования компрессорных станций для нефтедобычи и газопереработки. // Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования: Труды 3-го Междунар. симпозиума. (С.-Петербург, 18-20 июня 1997 г.). - С.-Пб.- 1997.-с. 164-169.
Анотації
Бухолдін Ю.С. Дослідження режимів роботи компресорних установок з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом для нафтової промисловості.-Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.05.15 – Вакуумна і компресорна техніка. - Сумський державний університет, Суми, 2001.
Дисертація присвячена питанням створення компресорних установок для нафтової промисловості, які працюють в широкому діапазоні змін умов експлуатації. Розроблена методика визначення проектних параметрів відцентрових компресорів таких установок. Розроблено метод розрахунку основних параметрів і характеристик компресорних установок нафтової промисловості.
Розроблена математична модель компресорної установки для нафтової промисловості. Модель реалізована у вигляді програмно-обчислювального комплексу, до якого входять програмні засоби для розрахунку та моделювання процесів стиснення, охолодження, фазових перетворень газу.
Впровадження у промисловість основних результатів дисертації дозволило мати інформацію про режими роботи компресорних установок ще на стадії проектування та виробити рекомендації по удосконаленню їх конструкції.
Ключові слова: компресорна установка, відцентровий компресор, математична модель, умови експлуатації, режим роботи.
Yu.S. Bukholdin. Investigation of Operating Conditions of Compressor Units for Oil Industry with Multicasing Centrifugal Compressor Driven by Gas Turbine Engine. – Manuscript.
Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science in field of 05.05.15 – Vacuum and Сompressor Engineering. – Sumy State University, Sumy 2001.
The dissertation concerns problems of compressor units development for oil industry operating in a wide range of site conditions. It is developed methods for choice of design parameters of centrifugal compressors. Procedure of calculation of main parameters and characteristics of compressor units for oil industry has been worked up. Mathematics model of compressor unit for oil industry is developed. The model is realized as programmable computing complex.
The complex includes software for computing and modeling gas compressing, cooling and phase gas transforming processes.
Industrial implementation of the basic results of the work makes it possible to obtain information concerning the compressor units operating conditions at design stage and work out recommendations on design optimization.
Key words: compressor unit, centrifugal compressor, mathematics modeling, site operating conditions.
Бухолдин Ю.С. Исследование режимов работы компрессорных установок с многокорпусным центробежным компрессором и газотурбинным приводом для нефтяной промышленности. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.15 – Вакуумная и компрессорная техника. – Сумский государственный университет, Сумы, 2001.
Диссертация посвящена вопросам создания компрессорных установок с многокорпусным центробежным компрессором и газотурбинным приводом. На основе анализа опубликованных данных показано, что методы проектирования таких установок, опирающиеся на расчет материально-теплового баланса для номинального режима, не обеспечивают их успешной работы в широком диапазоне изменения условий эксплуатации. Применение газотурбинного привода, в свою очередь, вызывает необходимость оптимального выбора величин максимальной мощности двигателя, расхода топливного газа, частоты вращения свободной турбины.
Поэтому для удовлетворения потребностей практического компрессоростроения в повышении технического уровня, сокращении сроков проектирования и доводки оборудования разработан метод расчета основных параметров оборудования компрессорных установок с многокорпусным центробежным компрессором и газотурбинным приводом для нефтяной промышленности, работающих в широком диапазоне изменения эксплуатационных параметров.
На основе системного анализа с использованием декомпозиционного подхода создана математическая модель компрессорной установки, представляющая собой систему математических моделей отдельных структурных элементов и технологических процессов, связанных друг с другом посредством уравнения связи. Дополнительно к известным алгоритмам технологических процессов разработан алгоритм процесса сжатия газа в центробежном компрессоре и алгоритм процесса сжатия с отбором топливного газа.
Для реализации математической модели создан программно-вычислительный комплекс, в состав которого входят: управляющая программа; комплекс программ расчета теплофизических свойств газовых смесей; банк физико-химических свойств индивидуальных компонентов; библиотека моделирующих модулей. Решение задач исследования компрессорных установок с помощью разработанных программных средств представляет собой последовательный расчет заданного набора технологических процессов.
Разработана методика определения проектных параметров центробежных компрессоров компрессорных установок нефтяной промышленности, позволяющая определить такие значения расчетных величин мощности и объемного расхода центробежного компрессора, которые обеспечат работоспособность компрессорной установки во всем диапазоне изменения условий эксплуатации.
Методика определения проектных параметров центробежного компрессора служит начальным этапом метода расчета основных параметров и характеристик компрессорной установки. Далее выполняется анализ особенностей работы газотурбинного привода, охладителей газа и сепараторов. На следующем этапе проводится расчет проточной части компрессора по известным методикам, а затем вычислительный эксперимент с помощью программно-вычислительного комплекса. Анализ результатов расчетов позволяет оценить работу компрессорной установки в широком диапазоне изменения эксплуатационных условий и выработать рекомендации по совершенствованию установки.
С помощью предложенной математической модели выполнено исследование режимов работы компрессорной установки газлифта нефти с приводом мощностью 16 МВт. Основой для расчетов послужили экспериментальные характеристики ЦК, полученные в период заводских и эксплуатационных испытаний. В результате исследований установлены численные границы влияния на характеристики установки изменения ряда параметров: давления и температуры газа, молярной массы газа, климатических условий и т.п.
Разработана методика проектирования компрессорных установок, суть которой заключается в выполнении определенной последовательности операций. К основным из них относятся: выбор структуры и определение состава технологической схемы; определение проектных параметров компрессора; расчет проточной части и характеристик компрессора; проведение вычислительного эксперимента; подбор серийного оборудования; составление баланса теплопотребления; разработка исходных требований на создание газовых охладителей, сепараторов и т.п. Завершающей операцией является разработка технического задания на проектирование компрессорной установки.
Объектом внедрения предложенных методов расчета и проектирования стала компрессорная станция газлифта нефти, включающая компрессорные установки с центробежными компрессорами и газотурбинным приводом мощностью 6,3 МВт для Анастасьевского месторождения (Украина). На оборудовании этой компрессорной станции были выполнены экспериментальные исследования в условиях эксплуатации, которые подтвердили правильность положений, составляющих основу метода расчета основных параметров и характеристик оборудования и методики проектирования компрессорных установок, удовлетворительную сходимость расчетных данных, полученных с помощью математической модели и данных, полученных экспериментальным путем. Результаты работы нашли применение при создании компрессорных установок нефтяной промышленности в Украине, России, Туркменистане.
Ключевые слова: компрессорная установка, центробежный компрессор, математическая модель, условия эксплуатации, режим работы.
| 
