Энергосбережение в технологических процессах трубопроводного транспорта газа

Сулейманов, Азат Маратович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Энергосбережение в технологических процессах трубопроводного транспорта газа
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Энергосбережение в технологических процессах трубопроводного транспорта газа"

На правах рукописи

СУЛЕИМАНОВ АЗАТ МАРАТОВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА ГАЗА

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2005

Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Байков Игорь Равильевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коршак Алексей Анатольевич;

кандидат технических наук Китаев Сергей Владимирович.

Ведущая организация

Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан при Кабинете Министров Республики Татарстан.

Защита состоится « ¿2 » съ/у^еия 2005 года в //-ОО на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул.Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « ¿-3 » илузГо 2005года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Матвеев Ю.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Газовая промышленность является одной из важнейших составных частей топливно-энергетического комплекса страны. В настоящее время доля производства природного газа в топливно-энергетическом балансе составляет уже свыше 50% и имеет устойчивую тенденцию к дальнейшему росту.

В условиях острого дефицита топливно-энергетических ресурсов первоочередное значение приобретают задачи, связанные с повышением эффективности их использования. Экономия энергетических ресурсов на современном этапе развития экономики страны является наиболее действенным и эффективным направлением при решении любых задач, стоящих перед промышленностью.

В связи с этим такие задачи трубопроводного транспорта природных газов, как установление и поддержание оптимальных режимов работы газотранспортных систем, разработка и реализация мероприятий, направленных на повышение эффективности транспорта газов с сокращением энергетических затрат на перекачку, являются важнейшими и наиболее актуальными в данной отрасли. Это положение в значительной степени усиливается, если принимать во внимание непрерывный рост стоимости энергоресурсов, увеличение себестоимости транспорта газа и невозобновляемость его природных ресурсов.

Режимы работы газоперекачивающих агрегатов (ГПА) определяются как параметрами работы соответствующего компрессорного цеха (объем транспортируемого газа, степень повышения давления, температура воздуха на входе в воздухозаборную камеру и т.д.), так и техническим состоянием элементов ГПА. Условия работы компрессорных станций (КС) постоянно меняются в силу сезонных вариаций объема транспортируемого газа.

Параметры технического состояния элементов ГПА также изменяются с течением времени.

В связи с этим особое значение приобретают усилия, направленные на разработку методов повышения энергетической эффективности работы ГПА.

Цель работы

Разработка методов повышения энергетической эффективности работы газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов.

Задачи исследований

1 Структурный анализ газотурбинной установки (ГТУ) с целью установления элемента, воздействие на который позволит повысить энергетическую эффективность ГПА.

2 Разработка состава моющего раствора, способного высокоэффективно очищать отложения на лопатках осевых компрессоров (ОК).

3 Разработка алгоритма расчета оптимального периода между очистками проточной части осевых компрессоров ГТУ.

4 Разработка метода оптимизации времени работы ГПА в пределах КС при снижении производительности газопроводов.

5 Разработка метода оптимизации расходов в рабочем диапазоне работы КС.

Методы решения задач

При решении поставленных задач и обработке промышленной технологической информации использовались вероятностно-статистические методы, методы асимптотических координат.

Научная новизна

1 Установлено, что наиболее приоритетным направлением повышения

энергетической эффективности работы ГПА является сокращение

потерь энергии в осевом компрессоре ГТУ.

2 Разработана рецептура моющего раствора, позволяющего растворять до 60% отложений, образующихся на лопатках воздушных компрессоров газотурбинных установок.

3 Предложен метод определения оптимальной периодичности очистки проточной части осевых компрессоров ГТУ, позволяющий снизить эксплуатационные затраты и повысить надежность ГПА. Показано, что для ГПА-16 оптимальный период между очистками составляет ПО суток.

4 Получена аналитическая модель определения оптимального времени работы ГПА, учитывающая техническое состояние ОК в условиях снижения загрузки газопровода, позволяющая повысить КПД цеха на 1,5%.

5 Разработан метод регулирования режимов работы КС, позволяющий снизить расход топливного газа не менее чем на 5,5%.

На защиту выносятся теоретические выводы и обобщения, разработанные модели, методы, эмпирические зависимости и практические рекомендации по повышению энергетической эффективности работы технологического оборудования магистральных газопроводов и оптимизации режимов работы ГПА. Практическая ценность работы

Рекомендации по оптимизации режимов работы компрессорных станций в рабочем диапазоне изменения расходов используются в Шаранском линейно-производственном управлении магистральных газопроводов ОАО «Газпром».

Разработанный метод расчета оптимального времени работы газотурбинных установок в условиях неполной загрузки магистральных газопроводов используется в учебном процессе УГНТУ при чтении курса лекций по дисциплине «Нагнетатели и тепловые двигатели, ч.1», а также при дипломном проектировании студентами специальности 100700 «Промышленная теплоэнергетика».

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

- 49-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в апреле 1998 г.;

- научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение в РБ» в Уфе 25 декабря 2001 г.;

- Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса» в Уфе 17-19 апреля 2002 г.;

- VI Всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения», Н. Новгород, октябрь 2002 г.;

- III - IV Энергетических форумах «Уралэнерго - 2003, 2004» в Уфе в 2003-2004 гг.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья и 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций; содержит 162 страницы машинописного текста, в том числе 29 таблиц, 34 рисунка и одно приложение, библиографический список использованной литературы из 160 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, научная новизна и практическая ценность результатов проведенных исследований.

Первая глава диссертации посвящена исследованию основных методов контроля технического состояния газоперекачивающих агрегатов, существующих методов очистки проточной части осевых компрессоров и

методов оптимизации режимов работы компрессорных станций, являющихся наиболее традиционными в магистральном транспорте газа.

В первом разделе рассмотрены основные методы контроля технического состояния газоперекачивающих агрегатов и степени загрязнения проточной части осевых компрессоров. Разработке методов и средств оценки технического состояния ГПА посвящены работы Байкова И.Р., Баркова А.В., Будзуляка Б.В., Бесклетного М.Е., Гольянова А.И., Зарицкого СП., Игуменцева Е.А., Ильина В.А., Калинина М.А., Костаревой С.Н., Комардинкина В.П., Крейна А.З., Китаева СВ., Лопатина А.С, Микаэляна Э.А., Поршакова Б.П., Районова Б.М., Седых А. Д., Смородова Е.А., Смородовой О.В., Тихонова А.Д., Тухбатуллина Ф.Г., Усошина Ю.С и других авторов. На основании изложенных методов оценки технического состояния ГПА сделан вывод о том, что наиболее удобным и широко используемым является метод контроля по газодинамическим характеристикам.

Среди рассмотренных методов оценки технического состояния проточной части осевого компрессора газотурбинной установки, изложенных в работах Поршакова Б.П., Микаэляна Э.А., Щуровского В.А., Китаева СВ., Зарицкого СП., Гофлина А.П., Иванова В.Д., Гольдберга Ф.И. Малаховского Е.И., Дедивока Е.В., Клишина Г.С, Селезнева В.Е., Чучко

B.Ф., Перехрухина С.С, наиболее стабильным признаком диагностирования состояния поточных машин ГПА является политропный КПД турбомашин.

Во втором разделе рассмотрены существующие методы очистки проточной части осевых компрессоров газотурбинных установок. Наиболее часто используемым видом являются очистка ГТУ на «ходу» твердыми абразивными частицами и на остановленном агрегате моющими растворами. Рядом авторов: Алексеенко Н.Н., Ещенко А.И., Прокофьевой

C.Н., Щуровским В.А., Зарицким СП., Синицыным Ю.Н. - проведены систематические физико-химические исследования образцов отложений на лопатках компрессоров и продуктов взаимодействия отложений с

различными химическими веществами, перспективными с точки зрения использования их для разработки моющих составов. Однако широкий диапазон предлагаемых моющих растворов не подтверждается эффективностью очистки при использовании их в промышленных условиях.

В третьем разделе рассмотрены общие подходы к решению оптимизационной схемы работы газоперекачивающих агрегатов на компрессорной станции. Общая задача по оптимизации параметров технологического процесса транспорта газа может быть разделена на две части:

1) оптимальное распределение степеней сжатия между отдельными КС, что равносильно оптимальному распределению значения давления на приеме и выкиде каждой КС, обеспечивающих реализацию условия минимума себестоимости транспорта газа;

2) определение рациональных параметров режима работы отдельных газоперекачивающих агрегатов каждой КС, обеспечивающих соответствующую ей оптимальную степень сжатия, что равносильно минимизации энергетических затрат, соответствующих оптимальной степени повышения давления на данной КС.

Для оптимизации работы газотранспортного оборудования широко применяются аналитические и статистические модели. Аналитические модели подробно рассмотрены в работах Зарицкого СП., Поршакова Б.П., Дубинского В.Г., Чарного Ю.С., Седых А.Д., Темпеля Ф.Г., Маслова В.М. и других авторов.

Статистические модели по сравнению с аналитическими позволяют учесть большее число факторов. Разработке подобных моделей в трубопроводном транспорте нефти и газа посвящены работы Мирзаджанзаде А.Х., Байкова И.Р., Шаммазова A.M., Гумерова А.Г., Галлямова А.К., Смородова Е.А., Гольянова А.И., Смородовой О.В., Зарицкого СП. и многих других. В частности, в работе Байкова И.Р. показано, что для изучения кооперативных эффектов, имеющих место при

взаимодействии отдельных технических элементов, целесообразно использовать представления робастных методов статистики и теории самоорганизации, отражающих наиболее общие свойства поведения сложных систем.

Проведенный анализ методов оптимизации режимов работы компрессорных станций позволил сделать вывод о том, что существующие методы не имеют обоснованного подхода к выбору частоты вращения ротора ГПА.

Во второй главе рассматривается возможность повышения энергетической эффективности работы элементов газоперекачивающих агрегатов.

В первом разделе проведен поэлементный анализ технического состояния газоперекачивающего агрегата эксергетическим методом. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наибольшие потери эксергии наблюдаются в камере сгорания и в регенераторе вследствие необратимости теплообмена между нагреваемым воздухом и рабочим телом.

В межремонтный период наибольшие потери эксергии наблюдаются в осевом компрессоре, газовой турбине и камере сгорания ГТУ. Снизить потери эксергии в камере сгорания практически невозможно без изменения конструкции и используемых материалов. Потери эксергии в турбине связаны, в основном, с аэродинамикой проточной части, обусловленной качеством изготовления. Единственным элементом, где возможно уменьшение потерь эксергии при эксплуатации ГПА, является осевой компрессор.

Во втором разделе установлено, что проведение периодической очистки проточной части ОК позволяет повысить КПД газотурбинной установки. Эти выводы также подтверждаются в работах Щуровского В.А., Зарицкого СП., Поршакова Б.П., Микаэляна Э.А., Истомина В.И., Огородника А.В., Акимова Л.М., Матвиенко А.Ф., Сидоренко В.В.,

Алексеенко Н.Н., Ещенко А.И., Прокофьева С.Н., Малаховского Е.И., Горелова В.И., Ральникова Ю.М. и др. Проведение очистки твердыми частицами приводит к засорению горелок в камере сгорания, образованию на лопатках компрессоров микроцарапин. Использование жидких моющих растворов предпочтительней по сравнению с твердыми абразивами (они лишены вышеперечисленных недостатков). Однако существующие жидкости, используемые в настоящее время в промышленности ^^ M2, Синвал), имеют высокую стоимость и небезопасны в использовании. Поэтому была поставлена задача - создать моющий раствор, способный проводить высокоэффективную очистку лопаток как в статических, так и в динамических условиях, иметь низкую стоимость и быть безопасным как для окружающей среды, так и для обслуживающего персонала.

Третий раздел второй главы посвящен изучению состава отложений, образующихся на лопатках осевых компрессоров. Анализ результатов показал, что отложения, обладающие высокой адгезией, состоят из трех фракций:

первая - нерастворимая в ацетоне (порядка 70%);

вторая - растворимая в ацетоне, но не растворимая в гексане (порядка 25%);

третья - растворимая и в ацетоне, и в гексане (порядка 5%).

Проведенные физико-химические, элементные и структурно-групповые анализы отложений позволили установить, что основной причиной появления отложений на лопатках осевых компрессоров является машинное масло, которое внутри компрессора при повышенном давлении и температуре активно взаимодействует с кислородом, водой и двуокисью серы, содержащимися в воздухе компрессорного цеха. Процессы взаимодействия приводят к образованию твердых, плохорастворимых карбоновых и сульфакислот, а также их эфиров. Одновременно эти продукты выступают в роли связующего для пыли, приносимой с воздухом,

что значительно увеличивает скорость образования и толщину отложений на лопатках ОК.

Четвертый раздел главы посвящен исследованию растворяющей способности предложенного состава. В качестве реагентов был апробирован широкий круг как органических, так и неорганических соединений. Качественная оценка растворимости отложений проводилась при комнатной температуре, а растворяющая способность растворителя оценивалась по интенсивности окраски раствора (изменяющегося от бесцветного до темно-коричневого). Далее отбирались лучшие растворители и для них количественно определялась степень растворяющей способности. Наилучшей растворяющей способностью обладает водная смесь нашатырного спирта и Трилона Б, которая в течение 5 минут способна растворить до 60% лопаточных отложений. Для определения оптимальных концентраций данного раствора, при котором растворяющие способности смеси были бы наилучшими, был проведен полный факторный эксперимент. Вид полученного уравнения регрессии

свидетельствует об отрицательном влиянии нашатырного спирта на растворяющую способность моющего раствора (и - концентрация Трилона-Б, %; х2 - концентрация нашатырного спирта, %). Однако полное отсутствие его в растворе вызовет нарушение баланса рН. На основании априорной информации было принято установить значение концентрации нашатырного спирта 0,5%, и при этом значении проводился однофакторный эксперимент по идентификации зависимости качества моющего раствора от концентрации Трилона-Б.

Проведенный лабораторный эксперимент позволил определить, что максимум растворимости наблюдается при концентрации Трилона-Б 2-6%. Достаточная степень растворимости наблюдается уже при двухпроцентной концентрации Трилона-Б (рисунок 1).

70 ----г

о --------

012345678 Концентрация Трилона-Б,%

Рисунок 1 - Доля растворенного образца в зависимости от концентрации Трилона-Б

Разработанный моющий раствор на основе водной смеси нашатырного спирта и Трилона -Б способен растворить до 60% лопаточных отложений, он химически инертен и его применение не вызывает осложнений в работе компрессора. Кроме того, разработанный раствор существенно дешевле и безопаснее жидкостей, используемых в промышленности для очистки ОК.

Третья глава посвящена исследованию и разработке методов планирования мероприятий по повышению энергетической эффективности ГПА. Как было показано во второй главе, одной из весьма эффективных мер улучшения технического состояния ГТУ является очистка проточной части осевого компрессора от загрязнений.

Первый раздел третьей главы посвящен количественной оценке влияния очистки воздушного компрессора на энергоэффективность работы газоперекачивающего агрегата. Проведение периодической очистки проточной части ОК позволяет повысить КПД газотурбинной установки. Однако интенсивность изменения КПД компрессора снижается по мере

увеличения наработки ГПА и наступает момент, когда проведение последующих очисток нецелесообразно.

Собранные статистические данные позволяют сказать, что очистные работы приводят к разрывам временных зависимостей изменения КПД ОК (рисунок 2).

Анализ темпа снижения КПД компрессора ГТУ между очистками в зависимости от общей наработки показывает, что сложный характер изменения связан с природой эксплуатации ГПА и поэтому не может быть описан в классе элементарных функций полиномом с помощью метода наименьших квадратов.

т 30 о

| 25

о ю

СО

%20 X

15 10

♦ ГПА 4 ■ ГПА 6 4 ГПА 5 • ГПАЗ

0,86 0,87 0,88 0,89 - 0,9 0,91 0,92

Рисунок 2 - Изменение КПД компрессора от наработки ГПА в различные периоды очистки

В этом случае наилучшим образом такой сложный вид описывается методом асимптотических координат, с помощью которого была получена модель изменения коэффициента полезного действия осевого компрессора от наработки после проведения очистных работ и с начала эксплуатации:

71 =(-0,0568-¿+ 0,6253 т- 0,0056)-(0,90е0-ошн-0,94еоот}н)+0,94е°'1ю13и, (1)

где - коэффициент полезного действия осевого компрессора; г - наработка после очистки осевого компрессора, тыс.ч.;

Н- наработка с начала эксплуатации, тыс.ч. Анализ модели (1) показывает, что на начальных этапах работы ГТУ наблюдается высокий темп снижения КПД компрессора. По мере увеличения наработки ГПА приращение КПД компрессора после очистки снижается 0). Полученная модель, с точностью до 0,5% описывающая экспериментальные данные, позволяет на основе количественного анализа изменения КПД осевого компрессора определить целесообразность проведения очистных работ.

Все вышеприведенные результаты были получены для различных режимов эксплуатации ГПА безотносительно их загрузки. Вместе с тем, анализ режимов работы магистральных газопроводов показывает, что их производительность значительно изменяется в течение года, что приводит к существенному отклонению основных параметров работы компрессорной станции от номинальных значений. На основании вышесказанного во втором разделе главы была сформулирована задача оптимизации режимов работы параллельно установленных газоперекачивающих агрегатов. На основании известной суммарной наработки после очистки всех ГПА в цехе требуется перераспределить время работы таким образом, чтобы суммарный коэффициент полезного действия компрессоров всей группы ГПА был максимальным. Решение поставленной задачи рассматривалось с помощью теории позиномов. В результате было получено уравнение расчета оптимального времени работы каждой газотурбинной установки с учетом проводимых очистных работ проточной части компрессоров в условиях неполной загрузки магистральных газопроводов:

где - суммарная наработка всех ГПА в цехе, ч.;

- эмпирические коэффициенты, определяемые по индикаторной диаграмме индивидуально для каждого осевого компрессора в группе;

I - число ГПА в группе. Данное уравнение позволяет рассчитать время работы каждого ГПА с учетом проводимых очистных работ проточной части компрессоров ГТУ. Определяя интенсивность изменения КПД компрессоров ГТУ, можно достаточно точно определять время работы каждого из агрегатов, что позволит повысить КПД цеха на 1,5% (определяется из условия максимальной загрузки ГТУ с наибольшим КПД).

В третьем разделе разработана методика расчета оптимальной периодичности очисток по критерию минимальных удельных затрат на эксплуатацию установки.

Существующие периодичности очисток определяются графиком проведения данных работ по принципу «в удобное время». Для примера, на КС «Москово» за 10 лет среднее количество очисток органической крошкой составило 28 раз в год; по данным «Уренгойгазпрома» среднее количество очисток моющей жидкостью за 5 лет составило 4 раза в год. На КС «Шемордан» очистка проводится 2 раза в год (причем только для 9 ГПА из 26 установленных).

При определении периодичности очистки необходимо учитывать тот факт, что загрязнение проточной части компрессоров ГТУ происходит с разной интенсивностью, которое зависит от следующих факторов:

- от степени загрязнения и запыленности окружающей среды, где эксплуатируется агрегат;

- эффективности очистки воздуха в воздухозаборной камере;

- конструктивных и эксплуатационных особенностей ГПА (диаметр осевого компрессора, углы атаки на лопатках осевого компрессора, частота его вращения);

- качества работы масляных уплотнений переднего подшипника.

Вид функциональной зависимости можно установить методом наименьших квадратов по динамике изменения удельного расхода топливного газа (рисунок 3).

0,014 т 0,012

I 0,01 -

| 0,008 •■ х с; с

£ 0,006 ■ §

х У

а 0,004 ••

§ 0,002 • г

о в о

Рисунок 3 - Увеличение удельного расхода топливного газа от времени

В общем случае, удельные затраты (S^)., т.е. затраты в единицу времени на поддержание ГТУ в рабочем состоянии, складываются из следующих составляющих:

где S0CII - удельные затраты на топливный газ, при условии отсутствия отложений, руб/год;

- дополнительные затраты на топливный газ, возникающие вследствие снижения КПД агрегата при загрязнении проточной части, руб/год;

5„чистка - удельные затраты на проведение очистных работ (затраты на приобретение моющего раствора; затраты газа на пуски и остановки ГПА, на работу турбодетандера, на продувку контура нагнетателя; на стравливание газа из контура; увеличение заработной платы обслуживающему персоналу за проведение очистных работ), руб/год.

Конечное уравнение определения оптимального периода между очистными мероприятиями выглядит следующим образом:

¡2-С

т — I очистка

опт — у А , (4)

где А - коэффициент пропорциональности, руб/год; - стоимость очистных работ, руб.

В качестве примера в конце главы был оценен этот период для одного из газоперекачивающих агрегатов типа ГПА-16. Полученное значение составило 110 суток.

Четвертая глава посвящена оптимизации режимов эксплуатации компрессорных станций с целью снижения расхода топливного газа.

ГПУ-10- ГГК-1СМ- ГТК-10-4- ГТ-6-750- ГПА- ГПА-16- ГПНР-Ценгр Центр Север Север 16МЖ- Центр 25И-

Север Центр

Рисунок 4 - Разброс КПД ГТУ для разных турбоагрегатов

В процессе работы было обследовано около 170 газоперекачивающих агрегатов, эксплуатирующихся в разных климатических условиях.

На рисунке 4 показан разброс значений КПД для разных турбоагрегатов, эксплуатирующихся в одних и тех же условиях, который составляет от 19% до 30% для одной и той же компрессорной станции. Это объясняется работой ГПА на режимах, отличных от номинальных, разными давлениями газа на входе в КС и разным состоянием проточной части компрессора ГТУ.

Основным беззатратным мероприятием, позволяющим уменьшить расход топливного газа, повысить общий коэффициент полезного действия, снизить себестоимость перекачки газа является оптимизация режимов работы компрессорных станций.

В третьем разделе разработан алгоритм оптимизации параметров режимов работы компрессорной станции. Оптимальный режим работы компрессорной станции рассмотрен из условия одинаковой загруженности отдельных агрегатов на различных ступенях повышения давления:

где степень повышения давления первой, второй и третьей

ступеней;

- степень повышения давления компрессорной станции; а - комплексная энергетическая характеристика технологического элемента системы;

¡} - число последовательно работающих ступеней сжатия на КС.

при ¡}-2\

(5)

при/7=3:

(6)

При решении поставленной задачи определялась частота вращения п агрегатов]-п ступени, которая обеспечивает заданную степень повышения давления е, (по формулам (5) и (6)). Для этого методом последовательного приближения относительно решалось уравнение

На практике, как правило, пользуются приведенной характеристикой центробежного нагнетателя, кривые которой можно описать зависимостью вида

(В)

где а,, Ь(, т, - эмпирические коэффициенты; - безразмерная переменная.

е=(в-в,)/аг; е = (е-й)Ч.

(9)

где 2 - фактическая объемная производительность, м3/мин;

- наименьшее значение расхода, от которого начинаются кривые приведенной характеристики, м3/мин;

- характерные масштабы по осям Полученное уравнение (10) позволяет определить оптимальную степень сжатия каждой ступени КС:

В качестве примера рассмотрена оптимизация КС, работающей четырьмя агрегатами в две ступени компримирования.

Проведенные по предложенной методике расчеты показали, что в рабочем диапазоне изменения расходов оптимизация режимов работы компрессорной станции позволит повысить суммарный политропический КПД и снизить расход топливного газа на 5,5%.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 На основании проведенного эксергетического анализа установлено, что приоритетным направлением повышения энергетической эффективности работы газоперекачивающего агрегата без вывода его в ремонт является проведение очистки проточной части осевого компрессора.

2 На основании проведенных исследований образцов отложений, образующихся на лопатках осевых компрессоров в процессе эксплуатации ГТУ, разработан состав моющего раствора водной смеси нашатырного спирта и Трилона-Б, способный растворять до 60% лопаточных отложений воздушных компрессоров ГПА.

3 Предложен метод определения оптимального периода между очистками проточной части осевых компрессоров ГТУ по критерию минимальных удельных затрат на эксплуатацию установки. Показано, что для ГПА-16 оптимальным является период очистки порядка ПО суток.

4 Получена аналитическая модель определения оптимального времени работы ГПА, учитывающая техническое состояние осевого компрессора, в условиях снижения загрузки магистральных газопроводов, позволяющая повысить КПД цеха на 1,5%.

5 Разработан метод регулирования режимов работы КС, позволяющий повысить политропический КПД цеха и сократить расход топливного газа не менее чем на 5,5 %.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1 Сулейманов A.M. Пластинчатый теплообменник/ АМ.Сулейманов// Тезисы докладов 48-й научно-технической конференции УГНТУ. -Уфа, 1998.- С.29.

2 Сулейманов A.M. Проблемы достоверной информации при заполнении энергетического паспорта/А М. Сулейманов, ГАЮкин// Энергоресурсосбережение в РБ: Материалы Всероссийская научно-технической конференции. - Уфа, 2001.

3 Сулейманов A.M. Особенности энергетического обследования компрессорных станций/ А.М.Сулейманов, Г.А.Юкин // Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения: Материалы VI Всероссийской конференции. - Н.Новгород, 2002.-С.143-144.

4 Сулейманов A.M. К вопросу использования инфракрасной техники при обследовании энергетических установок/ А.М.Сулейманов// Проблемы строительного комплекса России: Материалы Международной научно-технической конференции. - Уфа:УГНТУ, 2002.-С.193.

5 Сулейманов A.M. Энергоэффективность очистки проточной части осевого компрессора газотурбинной установки/А.М.Сулейманов, АЮ.Путенихин // Сборник материалов III Энергетического форума.-Уфа:ОгеепР 1$п Studio, 2003. - С.53-54.

6 Сулейманов A.M. Повышение надежность работы ГПА путем очистки проточной части компрессоров/ А.М.Сулейманов, И.Р.Байков //Нефтегазовое дело.-2003.-№1.-С. 291-297.

7 Сулейманов A.M. Технико-экономическое обоснование использования промывки компрессоров газотурбинных установок/ А.М.Сулейманов // Энергоэффективность. Проблемы и решения:

Тезисы докладов IV Российского энергетического форума. - Уфа: ТРАНСТЭК, 2004.-С.114-115.

8 Сулейманов A.M. Подбор растворителя отложений, образующихся на лопатках осевых компрессоров/ А.М.Сулейманов // Энергоэффективность. Проблемы и решения: Тезисы докладов IV Российского энергетического форума. - Уфа: ТРАНСТЭК, 2004.-С.101-102.

9 Сулейманов A.M. Оптимизация времени работы газотурбинных установок в условиях неполной загрузки/А.М.Сулейманов, И.Р.Байков// Энергоэффективность. Проблемы и решения: Тезисы докладов IV Российского энергетического форума. - Уфа: ТРАНСТЭК, 2004.-С. 109-113.

Подписано в печать 17.03.05. Бумага офсетная. Формат 60x84'/|6. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл.-печл. 1. Тираж 90. Заказ 55. Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии' 450062, г Уфа, ул. Космонавтов, 1.

25.00

. - i * г « -

í ' ~ t i 22 ДПРШХ v^y

v: 1299] * •

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сулейманов, Азат Маратович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ

ЭНЕРГОЕМКОСТИ РАБОТЫ ТЕХНО ЛОГИЧЕСКОГО 14 ОБОРУДОВАНИЯ.

1.1. Оценка энергоэффективности работы газоперекачивающих агрегатов на основе анализа их технического состояния.

1.2. Способы повышения эффективности работы основных элементов газоперекачивающих агрегатов.

1.3. Методы оптимизации работы газоперекачивающих агрегатов.

ГЛАВА 2 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ПУТЕМ ПРОВЕДЕНИЯ ОЧИСТКИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ КОМПРЕССОРОВ

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК.

2.1. Техническое диагностирование газоперекачивающих агрегатов на основе эксергетического анализа.

2.2. Исследование влияния промывки проточной части осевого компрессора на КПД газотурбинной установки.

2.3. Определение состава отложений на лопатках осевых компрессоров в целях выбора составов моющих растворов.

2.4. Анализ причин образования отложений на лопатках воздушных компрессоров.

ГЛАВА 3 ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ГАЗОПЕРЕКАЧИВ АЮЩИХ АГРЕГАТОВ.

3.1. Количественная оценка влияния очистки воздушного компрессора на энергоэффективность работы газоперекачивающих агрегатов.

3.2. Оптимизация работы газоперекачивающих агрегатов в условиях неполной загрузки магистральных газопроводов.

3.3. Оптимизация количества очисток проточной части воздушного компрессора в целях повышения общего коэффициента полезного действия газоперекачивающего агрегата.

ГЛАВА 4 ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ РАСХОДОВ ТОПЛИВНОГО ГАЗА.

4.1. Исследование динамики изменения коэффициента полезного действия центробежного нагнетателя газоперекачивающего агрегата в зависимости от наработки.

4.2. Определение вариабельности коэффициента полезного действия

ГТУ, эксплуатирующихся в одинаковых условиях.

4.3. Выбор оптимальных параметров режимов работы компрессорных станций.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Энергосбережение в технологических процессах трубопроводного транспорта газа"

В связи с этим такие задачи трубопроводного транспорта природных газов, как установление и поддержание оптимальных режимов работы газотранспортных систем, разработка и реализация мероприятий, направленных на повышение эффективности транспорта газов с сокращением энергетических затрат на перекачку являются важнейшими и наиболее актуальными в данной отрасли. Это положение в значительной степени усиливается, если принимать во внимание непрерывный рост стоимости энергоресурсов, увеличение себестоимости транспорта газа и невозобновляемость его природных ресурсов.

В связи с этим особое значение приобретают усилия, направленные на разработку методов повышения энергетической эффективности работы ГПА. Цель работы

Разработка методов повышения энергетической эффективности работы газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов. Задачи исследований

5 Разработка метода оптимизации расходов в рабочем диапазоне работы КС.

Методы решения задач

1 Установлено, что наиболее приоритетным направлением повышения энергетической эффективности работы ГПА является сокращение потерь энергии в осевом компрессоре ГТУ.

4 Получена аналитическая модель определения оптимального времени работы ГПА, учитывающая техническое состояние ОК, в условиях снижения загрузки газопровода.

Практическая ценность работы

Рекомендации по оптимизации режимов работы компрессорных станций в рабочем диапазоне изменения расходов используются в Шаранском ЛПУ МГ ООО «Баштрансгаз».

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

49-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в апреле 1998 г.;

Научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение в РБ» в Уфе 25 декабря 2001 г.;

Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса» в Уфе 17-19 апреля 2002 г.;

VI всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения», Н. Новгород, октябрь 2002 г.;

III - IV Энергетических форумах «Уралэнерго — 2003, 2004» в Уфе в 2003-2004 гг.

Публикации

Структура и объем работы

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Сулейманов, Азат Маратович

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

5 Разработан метод регулирования режимов работы КС, позволяющий повысить политропический КПД цеха. На примере показано, что сокращение расход топливного газа составит не менее чем 5,5%.

Принимая во внимание вышесказанное, в заключение первой главы можно сделать следующие выводы.

Использование метода контроля технического состояния ГПА по газодинамическим параметрам позволяет оперативно выявлять изменения в системе и определять мероприятия, направленные на их устранение.

Фв'пр кВт/(кгДО

5 1,25

С?пр)нпр> м3/мин

Рисунок 1.7 - Приведенные характеристики центробежного нагнетателя 370-18-1

Среди существующих методов очистки наиболее часто используемыми видами являются очистка на «ходу» ГТУ твердыми абразивными частицами и моющими растворами на остановленном агрегате. Эффективность предлагаемых моющих растворов не подтверждается очисткой в промышленных условиях.

Оптимизация режимов работы компрессорных станций позволяет уменьшить расход газа на собственные нужды, повысить КПД и уменьшить себестоимость перекачки газа. Однако существующие методы оптимизации не имеют обоснованного подхода к выбору частоты вращения ротора ГПА. Необходима разработка алгоритма расчета числа оборотов силовой турбины, которая позволит диспетчерам КС оптимизировать перекачку газа.

ГЛАВА 2

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГПА ПУТЕМ ПРОВЕДЕНИЯ ОЧИСТКИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ КОМПРЕССОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

ОАО «Газпром» — одно из крупнейших в мире предприятий по добыче, транспортировке, переработке и использованию природного газа и газового конденсата. Транспортирование природного газа по магистральным газопроводам осуществляется 254 компрессорными станциями, оснащенными 4016 газоперекачивающими агрегатами (ГПА). Парк ГПА на КС нашей страны распределяется следующим образом: 85,5% общей установленной мощности приходится на газотурбинные установки, электроприводные — примерно 13,5% и поршневые - около 1% [81].

Газоперекачивающий агрегат представляет собой сложную техническую систему, состоящую из функционально взаимосвязанных узлов и элементов, ресурс которых различен и зависит от многих факторов. Основным способом поддержания нормальных условий эксплуатации является проведение профилактических и капитальных работ. В ряде работ [31, 46, 65, 83, 127] показано, что поузловая система ремонтов, когда разборке подвергается только элемент, требующий ремонта, является наиболее удобной. Такая система ремонтов ГПА позволяет сократить время, затрачиваемое на проведение ремонта, снизить затраты на него и уменьшить потребность в запасных частях и ремонтном персонале.

Однако более предпочтительным направлением повышения эффективности работы ГПА является восстановление его технического состояния без вывода в капитальный ремонт. Такое решение позволяет не только повысить надежность системы, но и уменьшить эксплуатационные затраты.

Данная глава посвящена изучению вопросов повышения энергетической эффективности работы элементов газоперекачивающих агрегатов.

2.1. Техническое диагностирование газоперекачивающих агрегатов на основе эксергетического анализа

В процессах преобразования энергии, определяющих работу ГПА как термодинамической системы, может участвовать энергия разных видов. Несмотря на их общность, существуют ограничения превращаемости одного вида энергии в другой, определяемые вторым законом термодинамики.

При составлении энергетических (тепловых) балансов технических систем по существу оперируют качественно разными видами энергии — тепловой и механической энергией, не учитывая их различную превращаемость. Поэтому такие балансы не отражают точно суть взаимных преобразований. Анализируя работу отдельных элементов технической системы важно качественно оценить не просто потери энергии, а потери превращаемой энергии, т.е. той, которая при определенных условиях может стать дополнительным количеством полезной работы. Это позволит в отдельных звеньях технической системы отыскать такие элементы, где теряется наибольшее количество превращаемой энергии и разработать решения, уменьшающие эти потери. Поэтому для выявления наиболее приоритетных направлений предложен метод эксергетического анализа.

На основе существующих теоретических предпосылок [30, 52, 61, 91] о расчете эксергии потока вещества проведем поэлементный анализ технического состояния газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4 (рисунок 2.1)

Соответствующие значения величин для различных точек процесса рассчитываются по формулам [30]: Энтальпия

Ь=СР% где Ср— изобарная теплоемкость, кДж/кг-К; — температура," С. Энтропия

2.1)

8 = с-1п—-Я-1п

Р т1 т о

Р ' г0 р

2.2)

49 где Т - фактическая температура, К; Р - фактическое давление, Па; Т0 - нормальная температура, К (Т0=273К); Р0 - нормальное давление, Па (Р0=101325Па). Теплоёмкость воздуха

Ср.в=0,000196-^+0,9943. (2.3)

5 Регенератор

Рисунок 2.1 - Энерготепловая схема ГПА ГТК-10-4

Теплоёмкость дымовых газов:

Ср.г.=0,000207-^. (2.4)

Удельная эксергия в различных точках проточной части агрегата: е^Ь-То-Б. (2.5)

Приведём пример расчета эксергетических потоков для ГТК-10-4 ст. № 24 на КС-5 «Москово». Измерения проводились 02 декабря 2000г.

Числовые значения параметров в сечениях схемы на рисунке 2.1 представлены в таблице 2.1.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сулейманов, Азат Маратович, Уфа

1. Адаменко C.B. Повышение мощности ГТУ/ C.B. Адаменко, А.А.Елкин, А.И.Каширин, О.Ф.Клюев//Газовая промышленность. — 2000.-ЖЗ.-С.57-59.

2. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/ Ю.П.Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В.Грановский. М.: «Наука», 1976.-278с.

3. Акимов Л.М. Высокотемпературная коррозия, повреждения и защита лопаток газотурбинных установок/ Акимов Л.М. Матвиенко А.Ф., Сидоренко В.В., Щуровский В.А.-М., 1983. 40с.-(Транспорт и хранение газа: Обзор. Информ. /ВНИИЭгазпром; Вып.4).

4. Албул В.П. Газосбережение: современное состояние/ В.П. Албул, И.Д.Минскер//Газовая промышленность.- 1999.-№ 12.-С.48-50.

5. Алексеенко H.H. Система промывки проточной части осевых компрессоров ГТУ/ Н.Н.Алексеенко, А.И.Ещенко, С.Н.Прокофьева// Нефтяная и газовая промышленность.- 1985.-№ З.-С. 41-43.

6. Аминев А.П. Повышение мощности газотурбинной установки /А.П.Аминев, И.П.Барский, В.К.Орехов, И.К.Шаталов//Газовая промышленность.-1999.-№ 8.-С. 29-31.

7. Байков И.Р. Диагностирование и регулирование гидродинамических характеристик нефтегазопроводов: Дис. . доктора техн. наук: Уфа, 1995.-378с.

8. Байков И.Р. Методы оперативного контроля при эксплуатации магистральных нефтепроводов с учетом априорной информации: Дис. . канд. техн. наук: -Уфа, 1986. -167с.

9. Байков И.Р. Уточнение методики оценки технического состояния проточной части газоперекачивающих агрегатов/И.Р.Байков, А.И.Гольянов, Е.А.Смородов, С.В.Китаев//Известия ВУЗов. Проблемы энергетики.-2001. -№3-4.- С. 3-6.

10. Байков И.Р. Моделирование технологических процессов трубопроводного транспорта нефти и газа/ И.Р.Байков, Т.Г.Жданова, Э.А.Гареев.- Уфа:УНИ, 1994.-127с.

11. Байков И.Р. Изучение влияния очистных мероприятий проточных частей осевых компрессоров на надежность работы газотурбинных установок /И.Р.Байков, Е.А.Смородов, С.В.Китаев//Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. -2000.-№5-6.-С. 77-82.

12. Байков И.Р. Методы теории самоорганизации для диагностирования неполадок ГПА/ И.Р.Байков, О.В.Смородова, Э.А.Гареев, Ф.М.Аминев //Газовая промышленность.-1999.-№ 8.-С. 26-28.

13. Байков И.Р. Повышение надежности работы ГПА путем очистки проточной части компрессоров/И.Р.Байков, А.М.Сулейманов// Нефтегазовое дело. -2003.-№1.-С.291-297.

14. Байков И.Р. Подбор растворителя отложений, образующихся на лопатках осевых компрессоров/ И.Р.Байков, А.М.Сулейманов // IV Энергетический форум в Уфе.-2004.- С. 107-108.

15. Байков И.Р. Оптимизация времени работы газотурбинных установок в условиях неполной загрузки/И.Р.Байков, А.М.Сулейманов // IV Энергетический форум в Уфе.-2004.- С. 109-113.

16. Байков И.Р. Технико-экономическое обоснование использования промывки компрессоров ГТУ/ И.Р.Байков, А.М.Сулейманов// IV Энергетический форум в Уфе.-2004,- С. 114-115.

17. Байков И.Р. Принципы построения экспертной системы энергоаудита/ Байков И.Р., Юкин Г.А.//Межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы нефтегазовой отрасли».-2000.-С.12-14.

18. Барков A.B. Интеллектуальные системы мониторинга и диагностики машин по вибрации/ А.В.Барков, Н.А.Баркова.-С.-Петербург, 1999.-№9.

19. Беллами JI. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул/ Л.Беллами.-М.: Мир, 1971.- 318 с.

20. Беллами JI. Инфракрасные спектры молекул/Л.Беллами.- М.:ИЛ, 1957. -444с.

21. Беллман Р. Динамическое программирование/Р.Беллма.-М.: ИЛ, 1960.

22. Белоконь Н.И. Термодинамические процессы газотурбинных двигателей/Н.И.Белоконь.- М.: Недра, 1969.- 128с.

23. Белоконь Н.И. Газотурбинные установки на компрессорных станциях магистральных газопроводов/Н.И.Белоконь, Б.П.Поршако.-М.: Недра, 1969.-112с.

24. Белоусов В.Д. Трубопроводный транспорт нефти и газа/В.Д.Белоусов и др.-М.: Недра, 1978.-407с.

25. Бендат Дж. Применение корреляционного и спектрального анализа/ Дж. Бендат, А.Пирсол.-М.: Мир, 1983.-312с.

26. Берман Р.Я. Оптимизация режимов работы закольцованных магистральных газопроводов/Р.Я.Берман, С.А.Бобровский, З.Г. ГалиуллинУ/Газовая промышленность.- 1967.-№ 3.-С.46-48.

27. Бесклетный М.Е. Влияние воздействия очистительной крошки на уровень напряженности лопаток турбокомпрессора /М.Е.Бесклетный, Е.А.Игуменцев, Р.Д.Бесценная// Транспорт и хранение газа.-1980.-№4.-С.10-16.

28. Бикчентай Р.Н. Разработка методики определения эксплуатационных показателей газотурбинных установок для привода центробежных нагнетателей/ Р.Н.Бикчентай //Труды Московского института нефтехимической и газовой промышленности.-1964.-№47.- С.160-171.

29. Бойко A.M. Надежность оборудования компрессорных цехов/

30. A.М.Бойко, С.Ф.Жданов, А.В.Хороших, С.П.Зарицкий, В.А.Якубович //Газовая промышленность.-2000.-№13.-С.34-35.

31. Бродянский В.М. Энергетические расчеты технических систем/

32. B.М.Бродянский и др. // Справочное пособие. Киев: Наукова думка, 1991.-360с.

33. Бронштейн JI.C. Ремонт стационарных газотурбинных установок /Л.С.Бронштейн. -С.-Петербург: Недра, 1987.-143с.

34. Васильев Ю.Н. Повышение эффективности эксплуатации компрессорных станций/ Ю.Н.Васильев, Б.М.Смерека.-М.:Недра, 1981.-240с.

35. Вентцель Е.С. Теория вероятностей/Е.С.Вентцель.-М.:Физматгиз, 1969.-196с.

36. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методологии /Е.С.Вентцель.-М.: Наука, 1988.-206с.

37. Волков М.М. Справочник работника газовой промышленности/ М.М.Волков, А.Л.Михеев, К.А.Конев.-М.: Недра, 1989.-286с.

38. Вредные вещества в промышленности: Справочник для химиков, инженеров и врачей. Т. 2 Органические вещества и соединения /Н.В.Лазарев.- Л.: Химия, 1977.-С.204-205.

39. Вредные вещества в промышленности: Справочник для химиков, инженеров и врачей. Т. 3. Неорганические и элементоорганические соединения/Н.В.Лазарев.- Л.: Химия, 1977.- С.88-92.

40. Временная методика определения энергетической эффективности работы газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом.-М.: ОАО «Газпром», 2003.- 23 с.

41. Временная инструкция по периодической очистке осевых компрессоров газотурбинных агрегатов типа ГТ-700-5, ГТ-750-6 и ГТК-10.-М.:ВНИИгаз, 1975.-7с.

42. Временная инструкция по жидкостной очистке осевых компрессоров газотурбинных агрегатов типа ГТК-10, ГТ-750-6.-М.:ВНИИгаз, 1982.-9с.

43. Газотурбинный агрегат с газотурбинным приводом типа ГТК-10-4. Инструкция по эксплуатации 194ИЭ. — С.-Петербург, 1981.-88с.

Информация о работе

Сулейманов, Азат Маратович
кандидата технических наук
Уфа, 2005
ВАК 25.00.19

Диссертация

Энергосбережение в технологических процессах трубопроводного транспорта газа - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы