МЕТОД ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА МНОГОКАСКАДНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА НЕФТЯНОГО ГАЗА

Оценка термодинамического совершенства рабочего процесса многоступенчатого центробежного компрессора (ЦК) с промежуточным охлаждением по данным ряда известных исследований должна осуществляться изотермным коэффициентом полезного действия (КПД). Однако, автор работы [1], проанализировав зависимость изотермного КПД (u3) от газодинамических, а также эксплуатационных параметров приходит к выводу, что «… изотермный КПД ни в какой мере не является критерием энергетического совершенства охлаждаемых компрессоров…» [1, стр. 257] и предлагает ввести коэффициент эффективности охлаждаемого ЦК в форме:

Остальные обозначения общепринятые в компрессоростроении.

Существенной особенностью рабочего процесса многоступенчатого ЦК нефтяного газа (н.г.) при его молекулярной массе г>23 кг/кмоль является выделение значительного количества конденсата в каждом каскаде сжатия (КСК)при его охлаждении (под каскадом в данном случае подразумевается совокупность ступени (секции) сжатия, аппарата воздушного охлаждения (АВО) и промежуточного или концевого сепаратора (С).

ЦК состоит из нескольких КСК (рис.1), а компрессорная установка (КУ) в целом является, по существу, энерготехнологической установкой. Для оценки термодинамического совершенства рабочего процесса компрессора в составе такой КУ зависимость типа (1), полученная на основании только первого закона термодинамики, непригодна, так как не позволяет учесть все особенности рабочего процесса компрессора н.г.

Для анализа эффективности многокаскадного ЦК целесообразно принять эксергетический метод, который, как показывает опыт исследования холодильного, теплоэнергетического и других видов технологического оборудования, является весьма универсальным методом. Основываясь на первом и втором законах термодинамики, он позволяет учесть особенности рабочего процесса многокаскадного ЦК н.г.

Методику анализа термодинамической эффективности многокаскадного ЦК рассмотрим применительно к КУ н.г. КС «Анастасьевка» (рис.1).

Для составления эксергетического баланса 2-хкаскадного ЦК н.г. и получения на его основе зависимости для определения эксергетического КПД, воспользуемся структурной схемой, показанной на рис.2, где представлены основные потоки экcергии на входе и выходе первого и второго КСК.

Термодинамические свойства рабочих сред при выполнении расчетов определялись с использованием программы Института газа НАНУ. Пересчет безразмерных газодинамических характеристик в размерные в процессе расчетного анализа выполнялся с использованием расчетных программ ОАО "Сумское НПО им.М.В. Фрунзе", а эксергетический анализ выполнен с применением специального программно-вычислительного комплекса, созданного специалистами кафедры аэрокосмической теплотехники Национального аэрокосмического университета им.Н.Е. Жуковского (ХАИ) и ОАО "Сумское НПО им. М.В. Фрунзе". При этом использовалась также специально созданная расчетная программа для расчета режимов работы АВО.

Расчеты по определению, и осуществлялись для двух вариантов режимов работы ЦК, исходя из условия постоянства значения давления на выходе из установки Рк=2,6 МПа, а также из условия Рк=const и Тк=const. Результаты расчетов представлены в таблицах 1, 2, а также на рис.4, 5.

Как видно из таблиц 1, 2 для каждого каскада сжатия осуществлялся поэлементный анализ термодинамической эффективности. При этом для АВО в качестве показателя эффективности принят коэффициент преобразования эксергии, так как в теплообменном аппарате не происходит преобразование одного вида энергии в другой, а только отвод теплоты с целью понижения температуры компримируемого газа. Величина коэффициента преобразования эксергии в сепараторе, согласно ранее выполненным исследованиям 4, близка к единице, так как рабочий процесс в сепараторе близок к изотермическому, а изменение величины потоков эксергии на входе и выходе из сепаратора определяется величиной гидравлических потерь. В указанном диапазоне расходов их изменение незначительно, а работа каскадов сжатия в составе анализируемого ЦК не сопровождалась конденсатообразованием. В связи с этим влияние сепараторов на работу КСК не учитывалось.

Как известно, величина удельной эксергии в процессе компримирования газа определяется уровнем давлений и температур 2. В связи с этим в таблице 1 и на рис. 4 представлены термодинамические характеристики ЦК, полученные при условии Рк = const. Как видно из таблицы, величина выше соответствующих значений. Это обусловлено тем, что при определении эксергетического КПД учитывается эксергия теплоты, образующейся за счет диссипации энергии в ступени 5.

Характер влияния АВО на термодинамические характеристики первого (кривая 3, рис. 4) и второго (кривая 4, рис. 4) каскадов сжатия аналогичный, но для первого каскада влияние АВО существенно выше (почти в 3 раза, если судить по изменению на оптимальном режиме). Это обусловлено влиянием гидравлических потерь в первом каскаде при одинаковой геометрии АВО1 и АВО2. В результате при сравнительно высоких значениях (выше 0,85) и (выше 0,81) из-за несогласованности характеристик секций сжатия компрессора и АВО величина суммарного эксергетического КПД двухкаскадного ЦК снижается до 0,56 при расходе газа 13-15 кг/с (рис.4).

Для иллюстрации возможностей предложенного метода анализа термодинамической эффективности ЦК и КУ в целом был осуществлен расчет режимов работы ЦК при условии Рк = const (Рк = 2,6 МПа) и Тк = const (Тк = 323К) (таблица 5). При этом было сделано допущение, что значение Тк = const обеспечивается регулированием расхода воздуха в АВО2. Гибкость и универсальность математической модели, использованной при создании используемого программно-вычислительного комплекса, предоставляет широкие возможности по анализу термодинамических характеристик КУ, создаваемых на основе ЦК и газотурбинных двигателей (ГТД) различного типа 6.

С использование данных таблицы 5 был осуществлен расчет эффективности работы установки сбора и транспорта н.г., созданной на основе агрегата ТКА-Ц-6,3А/0,35-2,6. При расчете использовались характеристики приводного двигателя Д-336-1, используемого в составе агрегата, в виде Nст = f (Gг) и е = f (Nст).

Результаты расчета эффективности КУ, созданный на основе ЦК и ГТД мощностью 6.3 МВт, представлены на рис. 5. В качестве критериев эффективности работы КУ использован эксергетический КПД, а также величина относительного расхода топливного газа (отношение расходов топливного и перекачиваемого газа в кг/с). Как видно из рис.5, при максимальном значении эксергетического КПД, составляющим для КУ без утилизаторов теплоты выхлопных газов ГТД около 0,163, достигается минимальный относительный расход топливного газа.

Таким образом, методика определения термодинамических характеристик ЦК и КУ, созданная в постановке прямой задачи термодинамики, при наличии газодинамических характеристик секций (корпусов) сжатия и других необходимых данных, позволяет осуществить поиск оптимального режима работы КУ как на проектной стадии, так и на стадии испытаний или в эксплуатации. Для этого в качестве исходных данных должны использоваться, соответственно, расчетные или экспериментальные характеристики ЦК, привода и других элементов анализируемой системы.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004