ХОЛОДИЛЬНЫЕ КОМПРЕССОРНЫЕ АГРЕГАТЫ С ГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ ДЛЯ СТАНЦИИ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА
Одной из важных задач, решение которой обеспечивает надежность работы газопроводов при транспортировке газа из районов Крайнего Севера, является охлаждение газа после компрессорных станций (КС). Необходимость охлаждения газа связана в первую очередь с тем, что при транспортировке газа, имеющего после КС температуру +350С, в зоне вечной мерзлоты возможно таяние грунта, приводящее к аварийной ситуации с разрывом газопровода.
Для решения этой проблемы в 70-е годы в составе газоперекачивающих станций были предусмотрены станции охлаждения газа (СОГ). Необходимое количество требуемого холода и параметры холодильной станции определяются в каждом случае конкретными условиями эксплуатации газопровода, а, именно, температурой и расходом газа через нитку трубопровода, а также климатическими условиями.
В настоящее время в эксплуатации находятся СОГ на Ямбургской КС, Пуровской КС в системе Уренгойгазпрома. Планируемое освоение новых месторождений потребует разработки и создания СОГ на новые параметры.
Поставленные на Ямбургскую КС СОГ используют одноступенчатый парокомпрессионный цикл на пропан-бутановой смеси с переохлаждением жидкого хладагента перед дросселированием. Турбокомпрессорный агрегат ТКА-П-6,3/10М для СОГ создан на базе стандартного корпуса ОАО «Казанькомпрессормаш» АТП5. Компрессор ТП5-16/1 – центробежный двухступенчатый с двумя параллельно работающими, оппозитно расположенными секциями (рис.1). Расчетная холодопроизводительность 18,6 МВт (16 Гкал/час). В качестве привода использована первоначально применяемая на КС газовая турбина НК-12СТ, впоследствии замененная на НК-14СТ (ОАО «МОТОРОСТРОИТЕЛЬ» г.Самара). Разработка общей компановки – СМПО им. Фрунзе (г.Сумы).
Испарители, разработанные ЛенНИИХИМмаш и изготовленные СМПО им. Фрунзе, витые, вертикальные, трехпоточные.
Конденсаторы воздушного охлаждения 1АВГ-25, разработки ВНИИнефтемаш, изготовленны Таллинским машиностроительным заводом.
Задержка пуска станций охлаждения газа на уже действующих газопроводах Ямбург-Елец-1 и Ямбург-Западная граница привела к необходимости изменения условий работы холодильных турбокомпрессоров ТП5-16/1, которые были рассчитаны на охлаждения газа до минус 2С тремя станциями охлаждения газа.
Из-за оттайки грунта вокруг газопровода для стабилизации температурного режима работы трубопровода охлаждение газа в летний период было увеличено до +5,0С.
Изменение температуры охлаждения газа привело к повышению уровня давления кипения хладагента в испарителе, что с одной стороны повысило эффективность термодинамического цикла, а с другой привело к повышению массового расхода турбокомпрессора и, как следствие, к повышению потребляемой им мощности. К изменению характеристик турбокомпрессоров, как показала опытная эксплуатация станции, приводит также наличие неустранимой примеси метана в хладагенте, состоящем из смеси пропана и бутана.
Необходимо также отметить, что проект газопроводов предусматривал строительство трёх станций охлаждения газа на суммарный расход 270,0- 280,0 млн.нм3/ сутки. В связи с решением о строительстве только двух станций нагрузка на них возросла, что с учётом различия условий работы турбокомпрессоров потребовало пересмотра первоначального проекта в части нахождения оптимального решения по доработке существующей и строящейся станциям для обеспечения их работоспособности в новых условиях [1].
В связи с вышеизложенным, было проведено определение оптимального варианта компоновки и комплектации станций охлаждения природного газа СОГ-1 и СОГ-3 газопроводов Ямбург-Елец1 и Ямбург-Западная граница в новых условиях эксплуатации, что потребовало доработки расчетно-программного комплекса ВНИИхолодмаш по расчету ХЦК и ХМ в следующих направлениях:
- возможности расчета термодинамических свойств многокомпонентного хладагента, произвольно заданной концентрации углеводородного ряда;
- расчета холодильного цикла, работающего на смеси;
- проведения поверочных расчетов компрессора, работающего на многокомпонентной смеси при изменении условий работы станции и выдачи рекомендаций по его эксплуатации:
- обработки результатов испытаний СОГ-1 по реальным параметрам станции.
Существовавший во ВНИИхолодмаш программно-расчетный комплекс был разработан для выбора параметров и расчета характеристик холодильных центробежных компрессоров и холодильных машин, работающих на холодильных агентах, представляющих собой однокомпонентную смесь (чистое вещество) [2]. В основу расчетов термодинамических свойств хладагентов положено уравнение Боголюбова-Майера с индивидуальными вириальными коэффициентами.
Работы ВНИИхолодмаш по расчету ХЦК, работающих на многокопонентных хладагентах, были ограничены разработкой программного комплекса для расчета параметров сжатия пропан-бутанового компрессора с постоянно-заданным содержанием пропана -60% и бутана -40%. В этом случае в основу расчетов были положены таблицы термодинамических свойств пропан-бутановой смеси вышеуказанной концентрации, составленные ВНИИГАЗом.
Для расчета термодинамических свойств многокомпонентного хладагента был использован, разработанный во ВНИИГАЗ расчетный комплекс [3], основанный на модифицированного уравнении Рейдлиха-Квонга. Так как интерфейс этого комплекса не совместим с интерфейсом программ расчета ХЦК потребовалось написание блока подпрограмм согласования интерфейсов и доработки программ расчета с целью учета особенностей холодильного цикла, работающего на смеси. В результате создано 15 подпрограмм, позволивших определять все термодинамические параметры смеси по двум известным в требуемых комбинациях.
Для обработки результатов исследований была разработана специальная программа, позволяющая с учетом реального состава газа определять все параметры экспериментальной точки и характеристики компрессора в размерном и безразмерном виде по результатам испытаний СОГ-1.
Разработанное программное обеспечение позволило выполнить следующие работы:
- провести расчетно-теоретические исследования влияния режимов работы СОГ на параметры холодильных турбокомпрессоров на многокомпонентных смесях углеводородных хладагентов, на основе которых получены рекомендации по условиям работы станций СОГ-1 и СОГ-3 и допустимому содержанию метана в хладагенте;
- провести обработку результатов промышленных испытаний холодильных турбокомпрессоров ТП5-16/1 в условиях опытной эксплуатации станции СОГ-1, подтвердивших с достаточной для практики точности расчетные характеристики турбокомпрессоров.
- дать рекомендации по доработке станций охлаждения газа и комплектации их холодильными турбоагрегатами из условия необходимости обеспечения работоспособности станций при максимальной температуре окружающей среды в летний период.
Кроме того, на СОГ-1 проводились доводочные испытания компрессорного агрегата и теплообменной аппаратуры оборудования [4]. Была проведена модернизации агрегатов в части перехода на выносные подшипники что повысило надежность эксплуатации агрегатов. Доработана маслосистема и изменена конструкция муфты. Изменены направления потока газа и холодильного агента в витых испарителях. Добавлено количество конденсаторов холодильного агента.
Соответствие расчетных характеристик турбокомпрессоров характеристикам, полученным при испытаниях станции, подтвердили возможность использование станции СОГ-1 и СОГ-3 для охлаждения 270 млн. м3 газа в сутки трех ниток магистральных газопроводов: Елец-1, Елец-2 и «Прогресс». Это было подтверждено опытно промышленной эксплуатацией станций в 1998г. [5].
Модернизация методик расчета и программного комплекса позволила решить так же задачи по оптимизации работы Пуровской станции охлаждения газа (СО-6) с холодильным оборудованием поставки фирмы «Крезо-Луар».
Подключение третьего трубопровода (Уренгой - Центр-2) увеличило расход со 180,0 до 260 млн.м3/сутки, а введение в эксплуатацию второй очереди дожимных компрессорных станций изменило условия работы СО-6.
Существующее оборудование станции включало 8 основных и 1 резервный модуль, каждый из которых оснащен двухсекционным пропановым центробежным компрессорным агрегатом с газотурбинным приводом, а также воздушными конденсаторами и испарителями охлаждения природного газа.
Анализ исходных характеристик турбокомпрессора RD 5-3S с двумя вариантами проточной части - С1 и С6 и свойств пропана, представленных фирмой изготовителем показал их недостаточную достоверность. С целью снижения погрешностей получаемых результатов, характеристики секций компрессора были приведены к безразмерному виду, а для расчета термодинамических свойств пропана использовалось уравнение Боголюбова-Майера [6]. Относительные погрешности определения параметров при этом составили менее 1% для расхода, менее 1,5% для давления и около 3% для мощности. Предварительный анализ характеристик позволил рекомендовать к дальнейшему рассмотрению компрессор с проточной частью С6, обеспечивающей большие холодопроизводительности.
Характеристики существующих теплообменных аппаратов были также представлены в виде удобном для использования их в математической модели холодильной машины. Значение гидравлических потерь принято соответствующим существующей системе трубопроводов станции.
Расчеты параметров холодильных машин выполнялись для диапазонов изменения температур - охлаждения газа tг2 = 7...14оС, окружающей среды tв = 0...30оС. Характеристика приводной турбины турбокомпрессора определялась в зависимости от температуры воздуха.
Анализ результатов расчетных исследований показал возможность охлаждения 260,0 млн. нм3/сутки газа с помощью существующего на СО-6 оборудования [7].
На рис.2 представлено изменение требуемой и максимальной действительной холодопроизводительности в зависимости от температуры окружающей среды для трех значений температур охлажденного газа –7, 9 и 14оС. Как следует из полученных результатов, при одновременной работе 8-ми турбокомпрессоров с проточной частью С6 обеспечивается работоспособность станции до температуры окружающей среды 30 оС при охлаждении газа до 10,5 оС.
Опыт работы по доводке СОГ-1 и СОГ-3, оптимизация работы СО-6 позволили уверенно решать задачи по созданию новых СОГ.
Примером использования методики ВНИИхолодмаша является определение параметров холодильного турбокомпрессорного агрегата для станции охлаждения природного газа на месторождении Песцовое до температуры минус 2оС. Срок эксплуатации месторождения Песцовое 25 лет.
В начальный период эксплуатации, пока пластовое давление природного газа высокое, охлаждение выполняется за счет дросселирования. Рост потребности в холоде обуславливается снижением дроссель-эффекта по мере выработки месторождения. В это время температура газа, входящего на СОГ, не зависит от температуры окружающего воздуха
Начиная с 8-го и 9-го годов, появляется необходимость включения в технологию подготовки газа дожимных компрессорных станций (ДКС) для повышения давления при подаче газа в магистральный трубопровод. После ДКС газ охлаждается в аппаратах воздушного охлаждения (АВО газа). При этом температура газа на входе в СОГ и тепловая нагрузка зависит от температуры окружающего воздуха.
Кривая нагрузки показывает, что холодильная машина может понадобиться не ранее третьего года эксплуатации месторождения. Наибольшая необходимая производительность будет приходиться на 9-12-ые годы эксплуатации. Далее нагрузка по годам постепенно уменьшается до 30% от максимальной за счет уменьшения производительности месторождения.
В связи с тем, что температура газа после ДКС остается примерно постоянной в течение всего года, суммарная тепловая нагрузка на АВО газа и СОГ будет также постоянной и составит примерно 46 МВт.
Тепловая нагрузка на АВО увеличивается по мере снижения температуры окружающего воздуха и становится максимальной при остановке СОГ.
Станция охлаждения должна работать при температурах наружного воздуха выше минус 12оС. При дальнейшем понижении температуры охлаждение газа обеспечивается в АВО газа. При этом сезон работы СОГ составляет 200 суток.
Анализ кривой нагрузки показывает, что необходимая единичная холодопроизводительность агрегата должна быть 10-11 МВт, при этом необходимая мощность приводной турбины составит 4 МВт. Станция должна комплектоваться к 3-ему году работы месторождения двумя агрегатами (рабочим и резервным), а к 10-ому 4 компрессорными агрегатами (1 резервный).
Для установки охлаждения газа на месторождении предлагается пропановый холодильный компрессор на базе корпуса компрессора ТХМВ-4000. На рисунке 3 приведены характеристики компрессора, рассчитанного по циклу с двухступенчатым дросселированием.
Компрессор может работать при температурах конденсации от 10 до 50оС. Только за счет изменения оборотов от 8000 до 11000 об/мин возможно изменение производительности от 6 до 12 МВт.
Привод компрессора прямой от газотурбинного двигателя ГТД-4РМ без редуктора производственного объединения "Рыбинские моторы" номинальной мощностью 4,0 МВт. Характеристики турбины по оборотам и мощности хорошо согласуются с режимами работы холодильного компрессора.
На основе расчетно-теоретического анализа и существующего опыта эксплуатации выбор оптимальных параметров холодильных компрессорных агрегатов требует проведения комплексной оценки всех параметров месторождения газа, включая климатические условия, объём месторождения, дебет скважины и длительность её эксплуатации. В то же время, в случае ограничения сроков создания СОГ определяющим при выборе параметров агрегата может оказаться необходимость использования существующих технологий, например, освоенных корпусов компрессоров, существующих газотурбинных приводов.
Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004
