Обоснование выбора режимов работы газотурбинных газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов

Козлова, Татьяна Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование выбора режимов работы газотурбинных газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Обоснование выбора режимов работы газотурбинных газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов"

На правах рукописи

КОЗЛОВА Татьяна Владимировна

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19- Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з о идя т

005060308

Санкт-Петербург - 2013

005060308

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина», кафедра термодинамики и тепловых двигателей, заведующий кафедрой

кандидат технических наук, ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», производственно-технический отдел, начальник

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Защита состоится 20 июня 2013 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.10 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

АвтопеАепат оазослан 17 мая 2013 г.

Коршак Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты:

Лопатин Алексей Сергеевич

Белинский Василий Федорович

НИКОЛАЕВ

Александр Константинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Приоритетной задачей Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2030 г. является повышение энергоэффективности всех отраслей экономики, в том числе одной из ведущих отраслей топливно-энергетического комплекса - газовой промышленности. Наиболее энергоемким видом деятельности данной отрасли является магистральный транспорт природного газа и именно в нем сосредоточена основная часть потенциала энергосбережения отрасли. По результатам реализации Программ энергосбережения ОАО «Газпром» за 2002-2010 гг. выявлено, что самым эффективным направлением экономии природного газа при его транспорте является оптимизация режимов работы магистральных газопроводов (МГ) и компрессорных станций (КС) с преимущественным использованием газотурбинного привода путем управления количеством включенных газоперекачивающих агрегатов (ГПА), аппаратов воздушного охлаждения (ABO) природного газа и регулированием частоты вращения ротора центробежного нагнетателя (ЦБН) природного газа.

Моделирование и оптимизация эксплуатационных режимов транспорта газа при расчете режимов работы КС базируются на приведенных газодинамических характеристиках ЦБН, представленных в графической форме и требующих описания. В связи с этим от точности описания данных характеристик зависит не только корректность выбора оптимальной частоты вращения ротора ЦБН, но и рационального режима работы КС и всей газотранспортной системы (ГТС).

В связи с этим исследования, направленные на получение и обоснование математических моделей для описания характеристик ЦБН газотурбинных ГПА с наименьшей погрешностью, являются актуальными. Решению данных задач, а также разработке методов выбора рациональных режимов и регулирования режимов работы ГПА на основе предложенных математических моделей ЦБН посвящена данная работа.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации магистральных газопроводов на основе разработки метода определения относительной частоты вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа при регулировании режима работы компрессорной станции

магистрального газопровода.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи исследований:

1 Получить и обосновать разработанные математические

модели для описания характеристик большинства центробежных нагнетателей, используемых в газовой промышленности.

2. Разработать метод выбора рациональной области применения центробежных нагнетателей различного типа.

3 Предложить и апробировать метод выбора рациональных режимов работы компрессорных станций магистральных газопроводов с учетом работы аппаратов воздушного охлаждения.

4 Разработать рекомендации по определению относительной частоты вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа при регулировании режима работы компрессорной станции магистрального газопровода.

Идея работы. Для совершенствования методов расчета режимов работы магистральных газопроводов и компрессорных станций необходимо использовать зависимости, описывающие характеристики центробежных нагнетателей природного газа с наименьшей среднеквадратичной погрешностью, и формулы, устанавливающие необходимую величину степени повышения давления в штатных и

нештатных ситуациях.

Научная новизна работы:

1 Установлены и обоснованы зависимости, с наименьшей среднеквадратичной погрешностью описывающие газодинамические характеристики большинства используемых в газовой промышленности ЦБН и позволяющие, в том числе, определять оптимальную частоту вращения ротора ЦБН.

2. Получены аналитические зависимости, определяющие область рационального применения различных типов ЦБН.

3. Предложен метод определения рационального режима работы компрессорной станции магистрального газопровода с учетом работы ABO газа, заключающийся в применении в качестве критерия относительного приведенного расхода топливного газа на перекачку, позволяющего выбрать количество работающих ABO газа, рациональную схему включения различных ГПА и режим работы ГПА, и проведена его апробация.

4. Разработан метод определения относительной частоты вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа при регулировании режима работы компрессорной станции магистрального газопровода на основе полученных зависимостей, описывающих газодинамические характеристики ЦБН.

Защищаемые научные положения:

1. Получены зависимости, описывающие газодинамические характеристики центробежных нагнетателей природного газа, которые позволяют определить на стадиях проектирования и эксплуатации рациональную частоту вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа.

2. Рациональный режим работы газоперекачивающих агрегатов, установленных на компрессорной станции магистрального газопровода, обеспечивается частотой вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа, которой соответствует минимум относительного приведенного расхода топливного газа.

Методика исследований. В основу проведенных исследований положен системный подход к изучаемому объекту. При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований: обобщение и анализ теоретических и экспериментальных трудов в области описания характеристик ЦБН, выбора и регулирования режимов работы КС МГ, численные методы, линейная алгебра, методы математической статистики.

Для подтверждения выводов и предложенных в диссертационной работе методов использовалась промышленная информация, полученная при эксплуатации магистральных газопроводов и компрессорных станций.

Достоверность научных положений обоснована и подтверждена использованием современных методов математического анализа при проведении теоретических исследований, профессиональных программных продуктов при обработке характеристик ЦБН с применением методов математической статистики и регрессионного анализа, достаточной сходимостью расчетных величин с фактическими данными.

Практическая ценность работы определяется тем, что она направлена на реализацию «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.» и «Концепции энергосбережения в

ОАО «Газпром» на 2011 - 2020 гг.».

Разработанные в диссертации методики расчета, позволяющие определять рациональные режимы работы компрессорной станции и соответственно более корректно выбирать методы регулирования могут быть использованы газотранспортными предприятиями ОАО «Газпром», а также другими организациями, проектирующими

системы магистрального транспорта газа.

Представленные в работе методики апробированы при обработке эксплуатационных характеристик технологических Участков МГ и КС ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» за период 2010

-2012 гг.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

- V Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2009» (г. Уфа, 2009 г.);

- Всероссийской научной конференции-конкурсе студентов выпускного курса СПГГУ (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

- Международном форуме-конкурсе молодых ученых СПГГУ «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

- Открытой научно-практической конференции молодых работников ОАО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» по теме: «Профессионализм и инновационный потенциал молодежи - залог успешных решений стратегических задач развития газотранспортной системы Общества» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

- II Международной научно-практической Студенческой конференции «Нефтегазовые горизонты» (г. Москва, 2010 г.);

- VII международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (г. Новополоцк, 2011 г.);

- VII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2011» (г. Уфа, 2011 г.);

- III научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году химии «Актуальные проблемы науки и техники» (г.Уфа, 2011 г.);

- VIII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2012» (г. Уфа, 2012 г.);

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять научных работ, из которых три работы - в изданиях, входящих в перечень научных изданий, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Личный вклад соискателя. Автором выполнена постановка задач и разработка методики исследований, анализ математических моделей для описания характеристик ЦБН, современных методов выбора и регулирования режимов работы МГ и КС, аналитические исследования; проведен сравнительный анализ погрешностей расчета по зависимостям, описывающим характеристики ЦБН разных авторов; получены аналитические зависимости, описывающие характеристики большинства работающих в газовой промышленности ЦБН с наименьшей погрешностью; выполнен расчет областей рационального использования различных типов ЦБН; произведены расчеты по определению рациональных режимов работы КС в соответствии с предложенным критерием оптимизации режимов работы КС МГ; разработан комплекс методик определения частоты вращения ротора ЦБН при регулировании режима работы КС.

Реализация результатов работы. Полученные с помощью метода асимптотических координат уравнения, описывающие характеристики центробежных нагнетателей, методики оптимизации режимов работы и регулирования КС могут быть применены на предприятиях газовой промышленности для уменьшения затрат на

перекачку газа, а также в учебном процессе ВУЗов нефтегазового профиля.

Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе «Национального минерально-сырьевого университета «Горный» при изучении дисциплин «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов», «Проектирование и эксплуатация насосных и компрессорных станций» студентами специальности

130501 и направления «Нефтегазовое дело».

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендации, изложена на 179 страницах текста, содержит 36 рисунков, 20 таблиц список использованных источников из 117 наименовании, 4 приложения.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору A.A. Коршаку, а также благодарит коллектив кафедры транспорта и хранения нефти и газа «Национального минерально-сырьевого университета «Горный» за обсуждение и помощь в работе над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована её актуальность, определены цель, идея, задачи работы, изложены защищаемые положения, научная новизна и практическая

значимость.

Первая глава посвящена анализу существующих методов описания газодинамических характеристик ЦБН, выбора рациональных режимов транспорта газа и регулирования режимов работы КС

на магистральных газопроводах.

В настоящее время известен ряд отечественных и зарубежных аналитических форм представления газодинамических характеристик ЦБН. Моделирование режимов работы КС в РФ основывается на приведенных характеристиках ЦБН, разработанных специалистами ВНИИГАЗа, в том числе Барцевым И.В., Синицыным Щуровским В.А. и др., и представленных в графических каталогах, требующих описания. Известно шесть форм представления данных

характеристик. Однако наиболее распространенными, удобными и позволяющими вести расчеты с наибольшей точностью являются характеристики, представленные в следующем виде:

- зависимости степени повышения давления е, приведенной относительной внутренней мощности [И/увс]„р и политропного КПД г!„ол от приведенной объемной производительности £>„Р при различных значениях приведенной относительной частоты вращения ротора ЦБН [п/пн]„р (каталог 1985 г.);

- зависимости е, относительной потребляемой мощности (ЛГ/Рв£.), >/„„., от приведенной к условиям всасывания объемной производительности Q'sc.„p и относительной коммерческой производительности {QJPвc) при различных значениях относительной частоты вращения ротора ЦБН (л/п„) (каталог 2005 г.).

Данные характеристики позволяют относительно легко решать прямую задачу, т.е. определять е, цка и внутреннюю мощность ЦБН А', при известном расходе газа на всасывании в ЦБН и частоте вращения ротора ЦБН. Однако на практике часто приходится решать обратную задачу - определять оптимальную частоту вращения ротора ЦБН. Эта задача решается по характеристикам методом последовательных приближений, что способствует накоплению ошибок.

Большой вклад в создание аналитических зависимостей, описывающих характеристики ЦБН, внесли Байков И.Р., Бала-вин М.А., Жидкова М.А., Коток В.Б., Леонтьев Е.В., Немудрое А.Г., Поршаков Б.П., Рис В.Ф., Синицын С.Н., Сухарев М.Г., Черни-кин В.И. и др. В работах вышеперечисленных ученых предложены аналитические зависимости по первому варианту представления характеристик ЦБН (каталог 1985 г.). По последнему каталогу ООО «Газпром ВНИИГАЗ» 2005 г., в котором зависимости представлены во второй форме, зависимости отсутствуют.

Большое количество аналитических форм представления характеристик ЦБН, предложенных данными учеными, требует проведения сравнительного анализа с целью выявления наиболее точных зависимостей.

В изученных литературных источниках приведены аналитические зависимости и входящие в них коэффициенты аппроксима-

ции для одного-двух ЦБН, отсутствуют числовые значения коэффициентов аппроксимации всех ЦБН хотя бы одного каталога приведенных характеристик.

Кроме того, классическая математическая модель ЦБН, предложенная ВНИИГАЗом и заложенная в основу расчета режимов работы КС в комплексе режимно-технологических задач «АСТРА» для диспетчерского управления системами магистрального транспорта, установленного и используемого во всех газотранспортных предприятиях ОАО «Газпром», имеет ряд недостатков, а именно приводит к необходимости пересчета параметров газового потока и приведенных частот вращения ротора ЦБН на каждой итерации вычислений, что способствует увеличению погрешности вычислений, непроизводительных затрат машинного времени и снижает степень адекватности модели.

Вопросам оптимизации режимов работы ГТС посвящены труды Белоконя Н.И., БерманаР.Я., Бикчентая Р.Н., Галиулли-на З.Т., Жидковой М.А., Калинина А.Ф., Карасевича A.M., Константиновой И.М., Леонтьева Е.В., Лопатина A.C., Панкратова B.C., Поршакова Б.П., Новицкого H.H., Сарданашвили С.А., Селезнева В.Е., Синицына С.Н., Ставровского Е.Р., Сухарева М.Г., Тевяше-ва А.Д. и др.

Ими предложено множество критериев оптимизации режимов работы ГТС в целом и ее элементов. Расчеты по различным критериям приводят к результатам, иногда существенно отличающимся по затратам, числу работающих ГПА на КС, давлениям на входе и выходе КС. В связи с этим, необходимо выбрать универсальный критерий, использование которого позволило бы выбирать рациональный режим транспортировки с учетом загрузки технологических участков МГ и КС и работы ABO газа.

В третьем разделе главы показаны основные достоинства и недостатки существующих методов регулирования технологических режимов транспорта газа. Выявлено, что в настоящее время существует деление газотранспортной системы РФ на участки, работающие с проектной производительностью, и участки, функционирующие на производительностях значительно ниже проектной. Для пер-

вых участков ГТС необходимо повышать пропускную способность, для вторых - снижать эксплуатационные затраты за счет рационального использования производственных мощностей.

При всех вышеупомянутых ситуациях, как в случае увеличения пропускной способности МГ, так и уменьшения, необходимо производить регулирование режима работы КС, как за счет изменения частоты вращения ротора ЦБН, что является наиболее рациональным способом регулирования, так и за счет включения/выключения КЦ и КС. При этом последнее в свою очередь требует регулирования режима работы соседних КЦ либо КС путем изменения частоты вращения ротора ЦБН. Для определения необходимой частоты вращения ротора ЦБН в рассматриваемых ситуациях необходимо знать измененную степень повышения давления на КС. На основании вышесказанного, необходимо разработать методику определения частоты вращения ротора ЦБН природного газа при регулировании режима работы КС МГ данными методами с учетом зависимостей, описывающих термогазодинамические характеристики ЦБН, и критериев оптимизации режимов работы КС МГ.

Вторая глава посвящена сравнительному анализу точности различных методик, описывающих характеристики ЦБН, и получению новых зависимостей.

С целью выявления зависимостей, наиболее точно позволяющих определять оптимальную частоту вращения ротора ЦБН, было произведено сравнение существующих методик на основе обработки промышленных экспериментальных данных ЦБН в составе ГПА-Ц-16С/76-1,44, проведенных в СНПО им. Фрунзе.

В связи с тем, что для данного ЦБН не были известны коэффициенты аппроксимации сравниваемых аналитических зависимостей, они были получены автором самостоятельно с помощью множественного корреляционно-регрессионного анализа методом наименьших квадратов в программных продуктах «Mathcad» и «SigmaPlot 12.0».

Качество полученных формул было проверено при помощи стандартных методов математической статистики: проанализированы значимости множественной регрессии методом дисперсионного

анализа по ^критерию Фишера, значимости коэффициентов регрессии с помощью ¿-критерия Стьюдента, оценены коэффициенты детерминации ¡е, построены корреляционные матрицы и т.д.

Среднеквадратичная погрешность отклонения экспериментальных значений № от Рассчитанных значений по сравниваемым зависимостям составила 0,48-4,35%; для [М/уЛР - 0,67-6,58/о для цюя- 0,26-2,82%. Коэффициенты аппроксимации рассчитывались

до четвертой значимой цифры после запятой.

По результатам сравнительного анализа было установлено что для описания мощностной характеристики и политропного КПД следует использовать полиномы четвертой степени:

{"¡'ГвЛпр-^ЫгЖр- ^

Ппол = ^

где ат а„> - безразмерные числовые коэффициенты.

Для напорной же характеристики с помощью метода асимптотических координат была получена новая зависимость

ИО*) вида

+а

'е5

пр

+ "сб + "е1

+ а

г8

пр

(3)

пр.

где а ,а - безразмерные числовые коэффициенты.

£°'Среднеквадратичная погрешность отклонения экспериментальных значений от рассчитанных значений по Уравнению (3) для рассматриваемого ЦБН составила 0,47%, что точнее, чем по

существующим аналогам.

Автором получены коэффициенты аппроксимации зависимостей (1X3) ДО« всех ЦБН, представленных в каталоге 1985 г. (32

различных ЦДН^ ^ ^ ^ которому какие.либо расчетную зависимости отсутствуют, сложную поверхность вЫ0.'КПр, (п/и„)) удалось описать четырьмя плоскими кривыми, изображенными на Рисунках 1-3 (в качестве примера рассмотрены характеристики ЦЬН НЦ-6,3/56-1,45 (Н-196).

0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10

(»'»J

♦ П/ПН=0.7 ■ n/nn=O.T5 Ап/пмго.8 - n/ri=0,BS *п/«и=0.» ^г>/пн=0,96 i п/пно1,0 ■■ n/nn=l.05 п/nм=1Д

Рисунок 1 - График зависимости вспомогательной функции Е* от (б'к.и/Q'«c„pmaè при различных значениях (п/п„)

Qeznpil3Ï

—*— Ф«*а..("'", )) —efß«,™., (»/ п,))

Рисунок 2 - Графики зависимости с от (п/п„) при максимальных и минимальных значениях Q'K„P

зоо 280 260 240 220 200 180

0.70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1.05 1,10

("<Ч)

Рисунок 3 - График зависимости

Q'к артах ОТ (п/п^)

Из уравнения вспомогательной функции Е*

.пр min'

фк.»р шх Л"I«»))- £{в'«с.пе шЛп/ "» )) получим следующую зависимость, описывающую напорную характеристику ЦБН, представленной в соответствии с каталогом 2005 г.

6,0 + &1Гехр

• [bf4 + (« Ч )+*>«("/"„ У ]+

ГЖ bí0,be¡

+Ь,ъ(п! я.)]

(5)

+ Ье7+Ь£,{п/п„)+Ь„(п/п,)2, ¿,49 - безразмерные числовые коэффициенты.

Среднеквадратичная погрешность отклонения значений относительной частоты вращения ротора ЦБН, снятых с характеристики, от рассчитанных значений по уравнению (5) для рассматриваемого ЦБН составила 0,25%.

Аналогично была получена зависимость и для описания характеристики внутренней мощности ЦБН, представленной в соответствии с каталогом 2005 г.

где bm,bK1,---,biV

%1 + Ьт -(N, /Р)+Ь„,-(N, /Р,)г

Qecjip

■ безразмерные числовые коэффициенты.

(6)

Среднеквадратичная погрешность отклонения значений относительной потребляемой мощности ЦБН, снятых с характеристики, от рассчитанных значений по уравнению (6) для рассматриваемого ЦБН составила 0,66%.

Автором получены коэффициенты аппроксимации зависимостей (5), (6) для всех ЦБН, представленных в каталоге 2005 г. (106 различных ЦБН).

Предложенная методика обработки характеристик ЦБН может быть использована для получения математических моделей и ЦБН, не вошедших в рассматриваемые каталоги. Также в связи с тем, что в настоящее время не всегда ведется оперативный учет производительности каждого ЦБН, полученные зависимости могут быть использованы для определения производительности при известных степени повышения давления и частоте вращения ротора ЦБН.

Третья глава посвящена разработке и обоснованию метода выбора рациональных режимов работы КС МГ с учетом работы ABO газа.

В качестве критерия выбора рационального режима работы КС предложено использовать новую функцию - относительный приведенный расход топливного газа на перекачку дГ, равный

" Mw/J 7 ^ '

где QK - коммерческий расход природного газа, млн. м3/сут.; r\Mexi -механический КПД /-го ЦБН; tjei - эффективный КПД г'-й газотурбинной установки (ГТУ); Q„p - низшая теплота сгорания топливного газа, кДж/м3; цтг - цена топливного газа, руб./м3; цээ - цена электроэнергии, руб./кВтч; Nu — мощность, потребляемая одним вентилятором, кВт; п, - количество включенных вентиляторов.

Достоинством данного критерия является то, что он является безразмерной величиной. Поэтому при одинаковом темпе роста цен на электроэнергию и топливный газ величина (Ц не зависит от инфляции.

Для определения данного критерия необходимо знать область рационального использования ЦБН различных типов, которая определяется с учетом располагаемой мощности ГТУ, предотвращения условий помпажа и превышения максимально допустимого давления на выходе КС. На основе полученных зависимостей (1), (3) и (5), (6) была разработана методика выбора областей рационального применения ЦБН различного типа, которая позволяет определить минимальную и максимальную частоту вращения ротора ЦБН.

При расчете режимов работы МГ и КС, в том числе при определении области рационального применения различных типов ЦБН, необходимо рассчитывать параметры газовой смеси, транспортируемой по МГ, а именно коэффициент сжимаемости г, динамическую вязкость теплоемкость Ср и коэффициент Джоуля-Томсона Dp. Длительное время при проектировании и расчетах МГ основным руководящим документом были ОНТП 51-1-85. В настоящее время разработан СТО Газпром 2-3.5-051-2006, в котором введены новые формулы вышеперечисленных параметров газовых смесей. В связи с этим в работе было проанализировано какова разница между результатами, получаемыми по методикам, изложенным в данных документах, и в какой области ранее существовавшими

формулами можно пользоваться по-прежнему. По результатам расчетов основных параметров газовых смесей ряда месторождений РФ было доказано, что для расчетов до давления 12 МПа и температуре от 273К до 308К можно использовать формулы, представленные в ОНТП 51-1-85, наряду с формулами из СТО Газпром 2-3.5-051-2006, в пределах погрешности до 5%, удовлетворительной для инженерных расчетов.

Апробация предложенного критерия выбора рациональных режимов КС МГ (7) была произведена на действующем технологическом участке МГ для двухцеховой КС, в первом компрессорном цехе (КЦ) которой установлены пять ГПА-Ц-6,ЗА (ЦБН Н-196-1,45), а во втором - три ГПУ-10 (ЦБН 235-24-1). Установлено, что при использовании критерия выбора рационального режима работы КС в виде зависимости (7) по сравнению с действительным режимом достигается экономия до 5,4% энергоресурсов или 37,8 тыс. руб. в сутки (Рисунок 46).

Кроме того, по результатам расчетов выявлено, что затраты на систему охлаждения (второе слагаемое формулы (7)) составляют при рациональном режиме всего 1,6% от общей величины дГ и не влияют на перераспределение производительности между цехами КС (Рисунок 4).

Т.:,

*.э se es <я юз юд ii.0 tii no

SS Ifi 10.Э »0,5 11.0 »1.5 i) С 11.5 12J>

Aur-KV.«.

JXÍB.Sr'Cyr. ri Mltf.M

а о

Рисунок 4 - Графики зависимости Q от коммерческого расхода природного газа через один

ЦБН Н-196-1,45 Qki0.i96.i,js) при Q^JO млн. м3/сут. в системе компримирования, состоящей из трех ГПА-Ц-6.3А и двух ГПУ-10 при. а - отключенных ABO газа; б - одном включенном ABO газа на выходе каждого КЦ

В четвертой главе даны рекомендации по определению частоты вращения ротора ЦБН природного газа при регулировании работы КС на непроектных режимах.

На основании предлагаемого критерия (7), позволяющего выбрать рациональный режим работы и схему включения компрессорных цехов на компрессорной станции, был разработан алгоритм определения частоты вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа для различных схем включения КЦ на КС при изменении коммерческого расхода природного газа. Разработаны рекомендации по рациональным схемам включения ГПА, КЦ для рассматриваемой в третьей главе действующей КС при изменении коммерческого расхода природного газа от 25 до 90 млн. м3/сут.

Разработана методика определения степени повышения давления при регулировании за счет отключения КС при требуемом изменении производительности.

В связи с тем, что в соответствии с СТО Газпром 2-3.5-4542010 при проведении ремонтных работ требуется снижение давления на величину, определяемую параметрами повреждений МГ, предложена методика расчета режимов КС при ремонте МГ без остановки перекачки с понижением давления в месте ведения работ за счет отключения КС с использованием предложенного критерия (7) и полученных зависимостей, описывающих характеристики ЦБН.

Разработаны рекомендации по определению степени повышения давления на компрессорной станции при увеличении числа КС, изменении рабочих давлений в магистральном газопроводе и прокладки лупинга.

Для всех вышепредставленных случаев регулирования разработана методика определения частоты вращения ротора ЦБН по найденной величине степени повышения давления с учетом полученных зависимостей, описывающих характеристики ЦБН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Разработан метод определения относительной частоты вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа на основе полученных новых зависимостей, описывающих газодинамические характеристики ЦБН, представленные в каталогах ВНИИ-ГАЗа 1985 г. и 2005 г. В первом случае для 32 различных ЦБН получены коэффициенты аппроксимации зависимостей, описывающих напорную характеристику, мощность ЦБН и политропный КПД со среднеквадратичной погрешностью 0,47%, 0,67% и 0,26% соответственно. Для характеристик 106 различных ЦБН, представленных в каталоге ВНИИГАЗа 2005 г., указанные среднеквадратичные погрешности составляют соответственно 0,25% и 0,66 %. Данные зависимости точнее известных на сегодня (каталог ВНИИГАЗа 1985 г.), имеют универсальный характер и могут быть рекомендованы для использования газотранспортными предприятиями ОАО «Газпром» и организациями, проектирующими системы магистрального транспорта газа.

2. Разработан метод выбора областей рационального применения ЦБН различного типа, который позволяет определить минимальную и максимальную частоту вращения ротора ЦБН при заданной производительности.

3. Предложен метод выбора рациональных режимов работы КС МГ с учетом работы ABO газа, заключающийся в применении в качестве критерия относительного приведенного расхода топливного газа на перекачку q^, что позволяет выбирать количество работающих ABO газа, рациональную схему включения различных ГПА и режим работы ГПА. Данный метод апробирован при обработке эксплуатационных характеристик технологических участков МГ и КС ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» за период 20102012 гг. Использование этого критерия по сравнению с действительным режимом позволило сэкономить до 5,4% энергоресурсов или 37,8 тыс. руб. в сутки.

4. Разработаны рекомендации по определению степени повышения давления и частоты вращения ротора ЦБН при регулировании режима работы КС МГ в следующих ситуациях: изменение коммерческого расхода природного газа через КС; отключение КС; ремонт МГ без остановки перекачки с понижением давления в месте ведения работ; увеличение производительности МГ за счет повышения числа КС, изменения рабочих давлений в МГ и прокладки лу-пинга.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Козлова, Т.В. Зависимости, описывающие характеристики центробежных нагнетателей природного газа / Т.В. Козлова, A.A. Коршак // Горный информационно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, 2012, №4. - С. 281-284.

2. Козлова, Т.В. Регулирование режима работы магистрального газопровода за счет отключения компрессорпых станций / Т.В. Козлова, A.A. Коршак // Горный информационно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, 2012, №6. - С. 316-318.

3. Козлова, Т.В. Сравнение методов расчета параметров газовых смесей / Т.В. Козлова, A.A. Коршак // Горный информационно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, 2011, №8. -С. 369-375.

4. Козлова, Т.В. Аппроксимации характеристик центробежных нагнетателей природного газа / Т.В. Козлова, A.A. Коршак // Трубопроводный транспорт - 2012: материалы VIII Международной учебно-научно-практической конференции / редкол.: A.M. Шамма-зов и др. - Уфа: Издательство УГНТУ, 2012. - С. 137-139.

5. Козлова, Т.В. Области рационального применения центробежных нагнетателей / Т.В. Козлова, A.A. Коршак // Трубопроводный транспорт - 2011: материалы VII Международной учебно-научно-практической конференции / редкол.: A.M. Шаммазов и др. -Уфа: Издательство УГНТУ, 2011. - С. 226-228.

6. Козлова, Т.В. Определение области рационального применения различных типов центробежных нагнетателей / Т.В. Козлова,

A.A. Коршак // Надёжность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта: материалы VII междунар. науч.-техн. конф., Новополоцк, 22-25 ноября 2011 г. / Полоц. гос. ун-т; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В.К. Липского. - Новополоцк, 2011. - С. 115116.

7. Козлова, Т.В. Совместная работа магистрального газопровода и компрессорной станции / Т.В. Козлова, A.A. Коршак // Актуальные проблемы науки и техники: сборник научных трудов III Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году химии - Уфа: Нефтегазовое дело, 2011. -С. 84-86.

8. Козлова, Т.В. Универсальные зависимости для центробежных нагнетателей природного газа / Т.В. Козлова, A.A. Коршак // Нефтегазовые горизонты - 2010: тезисы II Международной научно-практической студенческой конференции - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2010. - С. 219-220.

9. Козлова, Т.В. Универсальные зависимости для центробежных нагнетателей природного газа, полученные методом асимптотических координат / Т.В. Козлова, A.A. Коршак // Трубопроводный транспорт - 2009: материалы V Международной учебно-научно-практической конференции / редкол.: A.M. Шаммазов и др. -Уфа: Издательство УГНТУ, 2009. - С. 93-95.

РИЦ Горного университета. 08.05.2013. 3.252 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Козлова, Татьяна Владимировна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

04201359463 КОЗЛОВА Татьяна Владимировна

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз

и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор технических наук, профессор А.А. Коршак

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА...........................11

1.1 Методы описания характеристик центробежных нагнетателей природного газа.............................................................................................................................11

1.2 Анализ методов выбора рациональных режимов при транспорте газа.......29

1.3 Методы регулирования режимов работы компрессорных станций на магистральных газопроводах.................................................................................39

1.4 Постановка задач исследований......................................................................46

Выводы по главе 1...................................................................................................48

ГЛАВА 2 УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ ПРИРОДНОГО ГАЗА...............................................................................................................................49

2.1 Сравнительный анализ точности различных методик, описывающих характеристики центробежных нагнетателей природного газа.........................49

2.2 Описание основных характеристик центробежных нагнетателей природного газа с использованием метода асимптотических координат.........61

2.3 Получение зависимостей для описания характеристик центробежных нагнетателей природного газа по альбому ВНИИГАЗа 1985 г..........................70

2.4 Получение зависимостей для описания характеристик центробежных

нагнетателей природного газа по каталогу ВНИИГАЗа 2005 г..........................75

Выводы по главе 2...................................................................................................91

ГЛАВА 3 МЕТОД ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА С УЧЕТОМ РАБОТЫ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА ...................................................................92

3.1 Методические основы оптимизации режимов работы компрессорной станции магистральных газопроводов..................................................................92

3.1.1 Обоснование критерия выбора рациональных режимов работы компрессорной станции....................................................................................92

3.1.2 Об области рационального использования различных типов центробежных нагнетателей природного газа...............................................95

3.1.3 Расчет параметров газовых смесей.......................................................100

3.2 Апробация методики выбора рациональных режимов работы

компрессорной станции магистральных газопроводов.....................................104

Выводы по главе 3.................................................................................................110

ГЛАВА 4 РЕГУЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ ПРИ НЕПРОЕКТНЫХ РЕЖИМАХ ПЕРЕКАЧКИ...........................................................111

4.1 Регулирование при изменении коммерческого расхода природного газа через компрессорную станцию............................................................................113

4.2 Регулирование при отключении компрессорной станции..........................116

4.3 Регулирование при ремонте магистрального газопровода без остановки перекачки с понижением давления в месте ведения работ...............................120

4.4 Увеличение производительности магистральных газопроводов...............126

4.4.1 Увеличение производительности магистрального газопровода за счет увеличения числа компрессорных станций и изменения рабочих давлений в магистральном газопроводе........................................................................127

4.4.2 Увеличение производительности магистрального газопровода за счет прокладки лупинга с одновременным увеличением степени повышения давления............................................................................................................130

4.5 Определение частоты вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа по найденной величине требуемой степени повышения

давления..................................................................................................................133

Выводы по главе 4.................................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................137

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..............................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................152

Приложение А - К сравнительному анализу точности различных методик

описания характеристик центробежных нагнетателей природного газа...............152

Приложение Б - К получению зависимостей для описания характеристик центробежных нагнетателей природного газа по каталогу ВНИИГАЗа 2005 г. ..162

Приложение В - К сравнению формул расчета параметров газовых смесей........168

Приложение Г - К обоснованию предложенного критерия выбора рационального режима работы компрессорной станции...................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Приоритетной задачей Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2030 г. [106] является повышение энергоэффективности всех отраслей экономики, в том числе одной из ведущих отраслей топливно-энергетического комплекса - газовой промышленности. Основная часть потенциала энергосбережения данной отрасли сосредоточена в транспорте газа и составляет 85,5% [2]. Наиболее эффективным направлением экономии природного газа в данном виде деятельности отрасли по результатам реализации Программ энергосбережения ОАО «Газпром» за 2002-2010 гг. [66, 67, 68] является оптимизация режимов работы магистральных газопроводов (МГ) и компрессорных станций (КС) с преимущественным использованием газотурбинного привода [24].

Моделирование и оптимизация эксплуатационных режимов транспорта газа при расчете режимов работы КС базируются на приведенных газодинамических характеристиках центробежных нагнетателей (ЦБН), представленных в графической форме и требующих описания. В связи с этим от точности описания данных характеристик зависит не только корректность выбора оптимальной частоты вращения ротора ЦБН, но и рационального режима работы КС и всей газотранспортной системы (ГТС).

В связи с вышеперечисленным исследования, направленные на получение и обоснование математических моделей для описания характеристик ЦБН газотурбинных газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с наименьшей погрешностью, являются актуальными. Решению данных задач, а также разработке методов выбора рациональных режимов и регулирования режимов работы ГПА на основе предложенных математических моделей ЦБН посвящена данная работа.

природного газа при регулировании режима работы компрессорной станции магистрального газопровода.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследований:

1. Получить и обосновать разработанные математические модели для описания характеристик большинства центробежных нагнетателей, используемых в газовой промышленности.

2. Разработать метод выбора рациональной области применения центробежных нагнетателей различного типа.

3. Предложить и апробировать метод выбора рациональных режимов работы компрессорных станций магистральных газопроводов с учетом работы аппаратов воздушного охлаждения.

4. Разработать рекомендации по определению относительной частоты вращения ротора центробежного нагнетателя природного газа при регулировании режима работы компрессорной станции магистрального газопровода.

Научная новизна работы:

1. Установлены и обоснованы зависимости, с наименьшей среднеквадратичной погрешностью описывающие газодинамические характеристики большинства используемых в газовой промышленности ЦБН и позволяющие, в том числе, определять оптимальную частоту вращения ротора ЦБН.

2. Получены аналитические зависимости, определяющие область рационального применения различных типов ЦБН.

Защищаемые научные положения:

Методика исследований. В основу проведенных исследований положен системный подход к изучаемому объекту. При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований: обобщение и анализ теоретических и экспериментальных трудов в области описания газодинамических характеристик ЦБН, выбора и регулирования режимов работы КС МГ, численные методы, линейная алгебра, методы математической статистики.

Практическая ценность работы определяется тем, что она направлена на реализацию «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.» и «Концепции энергосбережения в ОАО «Газпром» на 2011 - 2020 гг.».

Разработанные в диссертации методики расчета, позволяющие определять рациональные режимы работы компрессорной станции и соответственно более корректно выбирать методы регулирования, могут быть использованы газотранспортными предприятиями ОАО «Газпром», а также другими организациями, проектирующими системы магистрального транспорта газа.

Представленные в работе методики апробированы при обработке эксплуатационных характеристик технологических участков МГ и КС ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» за период 2010-2012 гг.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- V Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2009» (г. Уфа, 2009 г.);

- Всероссийской научной конференции-конкурсе студентов выпускного курса СПГГУ (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

- Международном форуме-конкурсе молодых ученых СПГГУ «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

- II Международной научно-практической Студенческой конференции «Нефтегазовые горизонты» (г. Москва, 2010 г.);

- VII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2011» (г. Уфа, 2011 г.);

- VIII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2012» (г. Уфа, 2012 г.);

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять научных работ, из которых три работы в изданиях, входящих в перечень научных изданий, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

промышленности для уменьшения затрат на перекачку газа, а также в учебном процессе ВУЗов нефтегазового профиля.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 179 страницах текста, содержит 36 рисунков, 20 таблиц, список использованных источников из 117 наименований, 4 приложения.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному

руководителю д.т.н., профессору A.A. Коршаку, а также благодарит коллектив кафедры транспорта и хранения нефти и газа «Национального минерально-сырьевого университета «Горный» за обсуждение и помощь в работе над диссертацией.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

1.1 Методы описания характеристик центробежных нагнетателей

природного газа

В настоящее время основным методом расчета режима работы КС является использование характеристик центробежных нагнетателей природного газа, построенных по результатам стендовых испытаний ЦБН на природном газе различного химического состава или воздухе, при различных характеристиках процесса сжатия, расходах и параметрах рабочего тела [14]. Без данных характеристик, являющихся математической моделью ЦБН, не решить ни одну задачу по определению рационального режима работы ЦБН, КС в целом, и соответственно всей газотранспортной системы.

Основными газодинамическими характеристиками ЦБН являются [77]:

1. Напор, который может быть представлен:

- степенью повышения давления е равной отношению давлений природного газа на выходе (нагнетании) Риаг и входе (всасывании) Рв1 в ЦБН

где к - объемный показатель адиабаты; Я - характеристическая газовая постоянная, Дж/(кг'К); Твс - температура газа на входе в ЦБН, К; г - коэффициент сжимаемости газа.

- политропным напором Нпоп, кДж/ кг

е = р / р ■

° 1 наг ' 1 вс 5

эффективным адиабатическим напором Над, кДж/ кг

(1.1)

, Г к-\ \

Над=—ЯТвс2 8к -1 ,

(1.2)

( т-\ \

т —

Я ЯТ г £ "' -1

т -1