Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Основные методы уменьшения энергоемкости работы технологического оборудования 14
1.1. Оценка энергоэффективности работы газоперекачивающих агрегатов на основе анализа их технического состояния 15
1.2. Способы повышения эффективности работы основных элементов газоперекачивающих агрегатов 28
1.3. Методы оптимизации работы газоперекачивающих агрегатов 38
ГЛАВА 2 Повышение эффективности работы газоперекачивающих агрегатов путем проведения очистки проточной части компрессоров газотурбинных установок 47
2.1. Техническое диагностирование газоперекачивающих агрегатов на основе эксергетического анализа 48
2.2. Исследование влияния промывки проточной части осевого компрессора на КПД газотурбинной установки 56
2.3. Определение состава отложений на лопатках осевых компрессоров в целях выбора составов моющих растворов 65
2.4. Анализ причин образования отложений на лопатках воздушных компрессоров 74
ГЛАВА 3 Повышение энергоэффективности работы основных элементов технологической схемы газоперекачивающих агрегатов 89
3.1. Количественная оценка влияния очистки воздушного компрессора на энергоэффективность работы газоперекачивающих агрегатов ... 89
3.2. Оптимизация работы газоперекачивающих агрегатов в условиях неполной загрузки магистральных газопроводов 97
3.3. Оптимизация количества очисток проточной части воздушного компрессора в целях повышения общего коэффициента полезного действия газоперекачивающего агрегата 103
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 111
4.2. Определение вариабельности коэффициента полезного действия ГТУ, эксплуатирующихся в одинаковых условиях 118
4.3. Выбор оптимальных параметров режимов работы компрессорных станций 125
Выводы и рекомендации 140
Библиографический список литературы
- Оценка энергоэффективности работы газоперекачивающих агрегатов на основе анализа их технического состояния
- Методы оптимизации работы газоперекачивающих агрегатов
- Техническое диагностирование газоперекачивающих агрегатов на основе эксергетического анализа
- Количественная оценка влияния очистки воздушного компрессора на энергоэффективность работы газоперекачивающих агрегатов
Введение к работе
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
Структурный анализ газотурбинной установки (ГТУ) с целью установления элемента, воздействие на который позволит повысить энергетическую эффективность ГПА.
Разработка состава моющего раствора, способного высокоэффективно очищать отложения на лопатках осевых компрессоров (ОК).
Разработка алгоритма расчета оптимального периода между очистками проточной части осевых компрессоров ГТУ.
Разработка метода оптимизации времени работы ГПА в пределах КС при снижении производительности газопроводов.
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
Установлено, что наиболее приоритетным направлением повышения энергетической эффективности работы ГПА является сокращение потерь энергии в осевом компрессоре ГТУ.
Разработана рецептура моющего раствора, позволяющего растворять до 60% отложений, образующихся на лопатках воздушных компрессоров газотурбинных установок.
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 110 суток.
Получена аналитическая модель определения оптимального времени работы ГПА, учитывающая техническое состояние ОК, в условиях снижения загрузки газопровода.
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 ЛПУ МГ ООО «Баштрансгаз».
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-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
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.
Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования.
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., Китаєва 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
8 Ф.Г., Усошина Ю.С. и др. На основании изложенных методов оценки технического состояния ГПА сделан вывод о том, что наиболее предпочтительным является метод контроля по газодинамическим характеристикам.
Среди рассмотренных методов оценки технического состояния проточной части осевого компрессора ГТУ, изложенных в работах Поршакова Б.П., Микаэляна Э.А., Щуровского В.А., Китаєва 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 В.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 Н.Н. Алексеенко, А.И.Ещенко, С.Н.Прокофьевой, В.А.Щуровским, СП.Зарицким, Ю.Н.Синицыным 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 в промышленных условиях.
В третьем разделе рассмотрены общие подходы к решению оптимизации режимов работы газоперекачивающих агрегатов на компрессорной станции. 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., Парного 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. На основе анализа существующих моделей, применяемых при разработке оптимизационной схемы работы КС, наиболее предпочтительным является комплексный метод, совмещающий классические и численные приемы решения данной задачи.
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 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.,
10 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., Широкова Н., Дымшица Г., Шамрука Г. Использование жидких моющих растворов предпочтительней по сравнению с твердыми абразивами. Однако существующие жидкости, используемые в настоящее время в промышленности (Ml, М2, 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 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 на лопатках осевых компрессоров. 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 органических и неорганических соединений образующихся отложений. Установлено, что наилучшей растворяющей способностью обладает водная смесь нашатырного спирта и Трилона Б, которая в течение 5 минут способна растворить до 60% лопаточных отложений. Проведенный лабораторный (однофакторный) эксперимент позволил определить, что максимум растворимости наблюдается при концентрации Трилона-Б 2-6%.
Данный растворитель химически инертен и его применение не вызывает осложнений в работе компрессора, нетоксичен и малоопасен (4 класс токсичности), имеет низкую стоимость и не дефицитен.
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. 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. Полученная модель, с точностью до 0,5% описывающая экспериментальные данные, позволяет утверждать, на каких турбоагрегатах целесообразно проводить очистку ОК.
Во втором разделе разработан метод расчета времени работы ГТУ в условиях неполной загрузки магистральных газопроводов, позволяющий повысить КПД цеха на 1,5%. Предложенный метод позволяет рассчитать время работы каждого ГПА с учетом проводимых очистных работ проточной части компрессоров ГТУ.
Анализ режимов работы магистральных газопроводов, проведенный в первой главе, показывает, что их производительность (подача газа по трубопроводу) значительно изменяется в течение года. Существенное снижение загрузки газопровода в летний период приводит к существенному отклонению основных параметров работы КС от номинальных значений. Поэтому задача оптимизации работы компрессорных станций при неполной загрузке газопровода имеет важное значение.
В третьем разделе третьей главы разработана методика расчета оптимальной периодичности очисток по критерию минимальных удельных затрат на эксплуатацию установки.
При расчете периодичности очистки необходимо учитывать тот факт, что загрязнение проточной части компрессоров ГТУ происходит с разной интенсивностью, которое зависит от следующих факторов [81]:
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.
В конце главы приведен конкретный пример расчета периодичности очистки ГПА.
Четвертая глава посвящена оптимизации режимов эксплуатации компрессорных станций с целью снижения расходов топливного газа.
В первом разделе рассмотрена динамика изменения коэффициента полезного действия центробежного нагнетателя газоперекачивающего агрегата в зависимости от наработки.
Статистический анализ экспериментальных данных (на основании данных эксплуатации газоперекачивающих агрегатов северных
* із
газопроводов) показал, что изменение политропного КПД нагнетателя не зависит от наработки с начала эксплуатации.
Во втором разделе четвертой главы рассмотрена вариабельность коэффициента полезного действия газотурбинных установок компрессорных станций, эксплуатирующихся в идентичных условиях.
Установлено, что разброс КПД ГТУ, эксплуатирующихся в одних и тех
* же условиях, составляет от 19% до 30% внутри одной компрессорной станции,
что объясняется в одних случаях неполной загрузкой ГПА (работа в
неноминальных режимах), в других случаях разными давлениями газа на входе
в КС.
В третьем разделе разработан алгоритм оптимизации параметров режимов работы компрессорной станции.
Как отмечалось в первой главе, оптимизация режимов работы компрессорных станций (как основное беззатратное мероприятие) позволяет уменьшить расход топливного газа, повысить общий суммарный коэффициент полезного действия, снизить себестоимость перекачки газа.
Оптимальный режим работы компрессорной станции рассмотрен из
условия одинаковой загруженности отдельных агрегатов на различных
ступенях повышения давления. Предложенный алгоритм оптимизации
позволяет аналитически определить оптимальную степень сжатия каждой
ступени КС. В качестве примера рассмотрена оптимизация КС, работающей
четырьмя агрегатами в две ступени компримирования.
^N Проведенные по разработанному методу расчеты показали, что в рабочем
диапазоне изменения расходов оптимизация режимов работы компрессорных станций позволит повысить политропический КПД цеха и снизить расход топливного газа на 5,5% (рассчитанное значение в качестве примера).
*
« 14
Оценка энергоэффективности работы газоперекачивающих агрегатов на основе анализа их технического состояния
Из множества методов контроля технического состояния газоперекачивающих агрегатов наиболее широкое применение нашли триботехнические [43, 69, 82, 109], виброакустические [18, 46, 87, 154] и параметрические [67, 73, 83, 128, 134, 155] методы диагностирования.
Триботехника занимается изучением сопряженных поверхностей деталей машин и механизмов при их относительном движении, охватывая области смазки, трения и износа [43, 69, 82, 95]. В основу трибодиагностики положены критерии дифференциальной оценки технического состояния узлов трения агрегатов по результатам анализа частиц износа в системе смазки. Знание механизма износа позволяет установить его причину и своевременно принять соответствующие профилактические меры, что очень важно с точки зрения эксплуатации оборудования.
Другим методом оценки технического состояния газоперекачивающего оборудования является вибродиагностика, сопряженная с интерпретацией вибрационных спектров колебаний корпусов газоперекачивающего оборудования. Возможность оценки механического состояния агрегата, технологическая простота диагностирования (отсутствие химических и физико-химических методов анализа) и возможность предсказания времени аварийного отказа по тренду характеристик виброспектра являются несомненными преимуществами вибродиагностики. С помощью вибрационного обследования газоперекачивающих агрегатов могут быть выявлены дефекты подшипников ГТУ, ЦБН, роторов, опорных систем, корпусных деталей, камеры сгорания, осевого компрессора, центровки различных узлов ГПА. Изменение уровня и интенсивности вибрации может быть следствием развития какого-либо дефекта, а характерные изменения вибрационного спектра по разным частотам могут идентифицировать тип неисправности [18, 46, 87, 154].
Наиболее распространенным методом оценки технического состояния ГПА является параметрический метод [67, 73, 83, 128, 155], основанный на измерении газодинамических параметров рабочего цикла двигателя — давления (р) и температуры (Т) по тракту ГТУ. Широкое распространение метод получил благодаря постоянно действующей в условиях КС системе измерений параметров работающих ГПА. В работах Калинина М.С., Дубинского В.Г., Поршакова Б.П., Зарицкого СП., Микаэляна Э.А., Чарного Ю.С. [54, 62, 63, 64, 110, 111] проводится анализ возможностей параметрической диагностики ГПА, а также областей возможного ее применения.
Параметрическая диагностика достаточно широко используется как в задачах оперативного контроля работы ГПА, так и при проведении энергетических обследований компрессорных станций. Основной целью энергетических обследований предприятий является оценка степени рациональности использования энергоресурсов и определение мероприятий, позволяющих снизить потери энергии. Общие вопросы технического и энергетического обследования компрессорных станций рассмотрены в [96, 102]. В [17, 131, 132, 137, 153, 160] рассматриваются основные принципы построения экспертной системы энергоаудита газоперекачивающих компрессорных станций и формулируются требования к программному обеспечению энергоаудита КС.
В настоящее время на КС используется постоянно действующая система измерения параметров работающих агрегатов по ГТУ и нагнетателю. На станциях периодически измеряют параметры рабочего тела Р, Т по тракту ГТУ, параметры газа Р, Т по тракту нагнетателя, параметры окружающей среды. Однако на КС пока не организована система комплексной оценки состояния агрегатов, например, по мощности или по расходу топливного газа, прежде всего из-за сложности достоверного определения расхода рабочего тела по ГТУ или транспортируемого газа по нагнетателю. Следует также отметить, что большинство методов параметрической диагностики опираются на паспортные характеристики соответствующих агрегатов. В процессе эксплуатации характеристики агрегатов могут меняться [81]. В частности, в [76] исследована динамика коэффициента технического состояния по мощности К е агрегатов ГТК-10-4. На рисунке 1.1 представлена характерная зависимость Кке от времени наработки Т с учетом проводимых ремонтов.
Как видно из рисунка, зависимость KNC(T) явно не монотонная. После проведения очередного ремонта коэффициент технического состояния скачкообразно увеличивается. Однако полного восстановления не происходит. Следует отметить, что зависимость Кке(Т) может быть получена только на основании постоянного контроля параметров работы конкретного ГПА.
Методы оптимизации работы газоперекачивающих агрегатов
Под оптимизацией режимов работы газотранспортных систем в общем случае следует понимать целенаправленную деятельность для получения наименьших удельных энергозатрат на транспорт природных газов.
При решении подобных задач необходимо учитывать, что любой магистральный газопровод представляет собой единый объект, где все параметры между собой тесно взаимосвязаны. При этом сложность в проведении оптимизационных расчетов, например, по условию минимума удельных энергозатрат на транспорт газа, заключается, прежде всего, в том, что любое включение или отключение ГПА на КС, колебание в газопотреблении, изменение температурного и гидравлического режимов работы и т.п. приводят к изменению режима работы всех элементов газопровода.
Изложенному содержанию проблемы соответствует математическая формулировка задачи, которую условно можно подразделить на две части [135]. Первая — построение так называемой целевой (критериальной) функции (в общем случае многих переменных), отражающей идейное содержание сформулированной оптимальной задачи, и вторая - решение оптимальной задачи для целевой функции, принципиально экстремальной и многовариантной, при ограничивающих условиях, накладываемых на переменные.
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, обеспечивающему реализацию условия минимума себестоимости транспорта газа;
2) Определение рациональных параметров режима работы отдельных газоперекачивающих агрегатов каждой КС, обеспечивающих оптимальную степень сжатия, что равносильно минимизации энергетических затрат, соответствующих оптимальной степени повышения давления на данной КС.
Задачи такого рода частично решались методом динамического программирования М.Г.Сухаревым, Э.С.Салимджановым, А.И.Гарляускасом, Р.Я.Берманом, С.А.Бобровским, З.Г.Галиуллиным [21, 26, 120], которые в своих работах, как это отмечают сами авторы, столкнулись с трудностями использования большого числа переменных в переборе возможных технологических решений с последующим ранжированием их по величине критерия оптимальности и выбора единственного из них экстремального. Кроме того, метод динамического программирования осложняет анализ наиболее общих закономерностей и взаимосвязей между параметрами, характеризующими режим работы изучаемой системы.
В работах Темпеля Ф.Г., Маслова В.М., Ходановича И.Е., Истомина В.И., Огородника А.В., Поршакова Б.П., Козаченко А.Н. [74, 81, 124, 135] в решении поставленной задачи используется «комплексный» метод, при котором оптимальная задача решается путем классических и численных приемов.
Неравномерность подачи газа по газопроводу в течение года приводит к неравномерности загрузки компрессорной станции и, как следствие, недоиспользованию установленной мощности КС, неравномерной загрузке отдельных агрегатов в течение года. Даже в условиях стабильно работающего в течение года газопровода с относительной амплитудой колебания в подаче газа на уровне Р=0,05-0,15, отношение наибольшей гидравлической мощности КС, затрачиваемой на перекачку газа, к среднегодовой составляет 1,16-1,52 [105].
На рисунке 1.6 представлены сезонные изменения объема перекачки двухниточного газопровода давлением 7,5 МПа (данные по пяти последовательно установленным компрессорным станциям) [1511.
Как видно из рисунка, сезонные вариации объемов перекачки составляют 20%. Следует отметить, что отбор по трассе рассматриваемого газопровода составляет малую часть от общего объема перекачки.
Снижение загрузки компрессорных станций и ГПА на газопроводах приводит к увеличению расхода топливного газа на нужды перекачки. Расход топливного газа на нужды перекачки в зависимости от мощности КС в диапазоне режимов её работы в первом приближении может определяться по уравнению прямой линии:
Полученное уравнение (1.11) наглядно показывает, как увеличивается относительный расход топливного газа на КС при увеличении только относительной амплитуды колебания подачи газа по газопроводу.
Результаты исследований режимов работы компрессорных станций на различных газопроводах страны показывают, что в настоящее время среднегодовая загрузка ГПА на КС находится на уровне 0,75-0,80 [74, 80, 98, 149]. В ряде случаев она достигает величины порядка 0,65-0,70. Соответственно КПД агрегатов в зависимости от типов ГПА находится на уровне 0,19-0,20, что естественно, приводит к значительному расходу топливного газа на нужды перекачки.
Решение задачи оптимизации режимов работы компрессорной станции за счет сокращения числа работающих ГПА в условиях сохранения технологически подобного режима работы станции показаны в работах Поршакова Б.П., Козаченко А.Н., Никишина В.И., Юкина Г.А., Истомина В.И., Огородника А.В [74, 81, ПО, 151]. В частности, в работе Юкина Г.А. применен метод самоорганизации для определения оптимальных параметров работы компрессорных станций. Основой метода является использование дополнительного критерия для получения оптимальной статистической зависимости. В качестве дополнительного критерия использован критерий несмещенности [12].
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. и других авторов [9, 54, 63, 64].
Статистические модели по сравнению с аналитическими позволяют учесть большее число факторов [2, 25, 33, 34, 44, 93]. Разработке подобных моделей в трубопроводном транспорте нефти и газа посвящены работы [9, 10, 97]. В монографии Байкова И.Р. [10] 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. Широкое применение при анализе процессов транспорта газа могут найти результаты теории фракталов и динамического хаоса, а также базовые модели синергетики и теории позиномов [7, 10]. Практическое применение данный метод получил в работе Китаєва СВ. [76], в котором на основании известной суммарной объемной подачи газа группы нагнетателей цеха поток газа был перераспределен так, что суммарный КПД цеха стал максимальным. В результате этого снижение расхода топливного газа составило 3-5%.
Одним из вариантов оптимизации режимов работы ГПА является достижение максимального значения политропного КПД нагнетателя. Опыт эксплуатации ГПА на КС показывает, что фактические режимы работы нагнетателей и самих газотурбинных установок далеко не всегда соответствуют оптимальным, что связано с несогласованностью характеристик нагнетателя и газопровода и, что естественно, приводит к определенному перерасходу топливного газа по агрегатам [32, 58, 60, 79, 98, 151].
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)
Из таблицы 2.2 видно, что из поступающей с топливным газом эксергии Етг=24,209 МВт в эффективную мощность на валу ГТУ превращается только 9,122 МВТ, что соответствует эксергетическому КПД 37,5%. Дымовые газы покидают ТНД с высокой эксергией (11,811 МВт), которая частично используется в регенераторе, благодаря чему рабочее тело получает в нем эксергию Еухг=4,689 МВт. В регенераторе теряется часть эксергии потока газов (Dpcr=2,643 МВт) вследствие необратимости теплообмена между нагреваемым воздухом и греющими дымовыми газами. По этой же причине велики потери эксергии в камере сгорания (DKC=5,817 МВт). Работу компрессора в эксергети-ческом балансе характеризуют потери от неизоэнтропичности сжатия воздуха. Эти потери обусловлены вязкостью газа в проточной части компрессора и составляют 0,683 МВт.
На рисунке 2.2 представлена эксергетическая диаграмма, составленная на основе балансов рассмотренной ГТУ, где полезная эксергия и ее потери выражены в процентах от поступающей эксергии.
Как видно из диаграммы, наибольшая потеря эксергии наблюдается в камере сгорания (23,9%) и в регенераторе (10,9%) вследствие необратимости теплообмена между нагреваемым воздухом и рабочим телом.
Представляет интерес варьирование эксергетических показателей ГТУ в течение суток и в зависимости от наработки после капитального ремонта. В таблице 2.3 показаны интервалы изменения полезной мощности и основных потерь эксергии в течение суток 16 августа 2000 г., рассчитанных по результатам измерений четырех ГТК-10-4. МВт. Потери в осевом компрессоре составляют от 0,86 МВт до 2,86 МВт, что обусловлено трением воздушного потока в проточной части компрессоров и разным их техническим состоянием.
Ухудшение технического состояния сопровождается ростом эксергетиче-ских потерь [52]. Изменение эксергетических показателей в зависимости от наработки после капитального ремонта для основных элементов ГТУ (воздуховода, осевого компрессора, регенератора, камеры сгорания, тепловых потерь с поверхности ГТУ, потери в турбине и подшипниках) показаны на рисунках 2.3 и 2.4. Из представленных данных видно, что в межремонтный период наибольшее снижение эксергии наблюдается у трех элементов ГТУ — осевого компрессора, турбины и камеры сгорания.
Уменьшить потери эксергии в камере сгорания, обусловленные необратимым превращением топлива и воздуха в дымовые газы, необратимым теплообменом между топливом и воздухом-окислителем, а также между продуктами сгорания и окружающей средой через стенки камеры сгорания практически невозможно без изменения конструкции и материалов изготовления камеры сгорания [141, 147].
Уменьшить потери эксергии в турбине можно при проведении капитального ремонта. Кроме того, как было показано выше, эти потери незначительны (0,145 МВт).
Единственным элементом, где возможно уменьшение потерь эксергии не только при проведении капитального ремонта, но и при эксплуатации ГПА, яв 56 ляется воздушный компрессор. Значительные потери эксергии (до 2,8 МВт) делают приоритетным направлением разработку мероприятий по сокращению затрат именно в этом элементе ГПА.
Одним из способов снижения потерь эксергии в осевом компрессоре является проведение периодической очистки его проточной части [133, 142]. Как видно из графика на рисунке 2.3, наиболее интенсивное снижение потерь эксергии наблюдается в первые 4,5 тыс. часов эксплуатации, а затем происходит замедление этого процесса (правая часть графика практически выходит на горизонтальную асимптоту). Таким образом, можно сделать вывод о том, что проведение очистки целесообразно проводить в интервале от 0 до 4,5 тыс. часов наработки ГПА.
На основании проведенного эксергетического анализа можно сделать вывод о том, что наиболее приоритетным направлением повышения энергоэффективности работы ГПА является сокращение потерь энергии в осевом компрессоре.
Количественная оценка влияния очистки воздушного компрессора на энергоэффективность работы газоперекачивающих агрегатов
При ухудшении технического состояния ГПА происходит снижение энергетической эффективности установки, что приводит к увеличению расхода топлива на перекачку газа. Знание причин ухудшения технического состояния узлов ГПА позволяет в значительной степени снизить эксплуатационные расходы путем правильного и своевременного проведения профилактических мероприятий, направленных на повышение энергетической эффективности ГТУ [56, 92, 133, 144,159].
Техническое состояние ГПА зависит от технического состояния отдельных его элементов: осевого компрессора (III), газовой турбины (II), камеры сгора ния (IV), регенератора - воздухоподогревателя (V) (для регенеративных ГТУ), центробежного нагнетателя (I) (рисунок 3.1) [24]. Анализ результатов исследований технического состояния основных элементов ГПА позволяет выявить причины, ухудшающие их характеристики и на ранней стадии устранить их [3, 4, 27, 35, 53, 66, 68, 70, 72, 108, 123, 129, 138].
Данная глава посвящена исследованию и разработке метода планирования мероприятий по повышению энергетической эффективности работы ГПА. Количественная оценка влияния очистки воздушного компрессора на энергоэффективность работы газоперекачивающих агрегатов Исследования, проведенные во второй главе, показали, что периодическая очистка позволяет повысить КПД компрессора и, следовательно, КПД газотурбинной установки.
Загрязнение проточной части осевого компрессора может привести к уменьшению расхода воздуха до 5-6% и снижению КПД осевого компрессора на 2-3%, что вызывает снижение полезной мощности ГТУ до 10% и КПД до 2-4%. Следует отметить, что процесс загрязнения проточной части компрессора не характеризуется линейной зависимостью от времени и при определенной наработке, в интервале 2-3 тыс. часов, наблюдается стабилизация характеристик осевого компрессора [81]. Отложения на лопатках осевого компрессора вдоль его оси постепенно уменьшаются, то есть последние ступени компрессора загрязняются меньше. Отложения загрязнений в большей мере наблюдаются на выпуклой стороне лопатки. Повышение влажности воздуха на входе в осевой компрессор способствует увеличению образования отложений на лопатках.
Очистка на разных этапах цикла работы ГПА может по-разному влиять на КПД компрессора. Показанная в работах Зарицкого СП., Поршакова Б.П., Щу-ровского В.А., Китаєва СВ. [62, 76, 142, 146] интенсивность изменения КПД компрессора снижается по мере увеличения наработки ГПА, т.е. может наступить момент, когда энергетическая эффективность работы ГТУ не будет зависеть от проводимых очистных работ. Поэтому большой интерес представляют работы по разработке методов, позволяющих количественно оценить целесообразность проведения очистки на любом периоде эксплуатации газотурбинной установки.
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. Снижение КПД от очистки к очистке, очевидно, связано с низким качеством проводимых очистных работ и необратимыми процессами в узлах ГПА.
Для описания подобных зависимостей наилучшим образом подходит метод асимптотических координат, рассмотренный в работе [10]. Рассмотрим применение этого метода для решения поставленной задачи.
Представим зависимость (рисунок 3.2) в виде серии кривых, расположенных в плоскости (гк, т) (рисунок 3.3).
Суть метода асимптотических координат заключается в следующем. Предположим, что имеется некоторая величина F, зависящая от параметров р и q. Пусть в условиях эксперимента задавались определенные значения параметров q=qi, q2,.. .qn и определялась зависимость F (р) при фиксированных q.
В том случае, когда вид полученных кривых в плоскости (р, F) носит качественно сходный характер, часто удается подобрать специальные координаты, с помощью которых исследуемую сложную двумерную поверхность F=F(p, q) удается описать с помощью нескольких простых плоских кривых. При этом семейство плоских кривых (р, F), соответствующих различным значениям q, «сжимается» в одну универсальную кривую. Поскольку вид этих координат устанавливается путем изучения качественного поведения кривых в некоторых характерных предельных случаях (F0=F(0,q) и Foo=F(oo,q)), то их можно назвать асимптотическими координатами.
Прямой проверкой нетрудно убедиться, что если вместо функции КПД ввести новую вспомогательную функцию f=f(H, т) по формуле /= (3.5) у- р то видно, что функция обладает следующими свойствами: f=0 при т=тт;п и f=l при х=ттах. Кривые в плоскости (f, т) показаны на рисунке 3.5. Для вспомогательной функции f можно использовать приближенную зависимость вида: F=-0,05682+0,6253-0,0056. (3.6) Коэффициенты полученной зависимости определялись методом наименьших квадратов по всему объему выборки.
