Энергосбережение в технологических процессах трубопроводного транспорта газа

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

5 Разработка метода оптимизации расходов в рабочем диапазоне работы КС.

Методы решения задач.

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

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

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

3 Предложен метод определения оптимальной периодичности очистки проточной части осевых компрессоров ГТУ, позволяющий снизить эксплуатационные затраты и повысить надежность ГПА. Показано, что для ГПА-16 оптимальный период между очистками составляет 110 суток.

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

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

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

Практическая ценность работы.

Рекомендации по оптимизации режимов работы компрессорных станций в рабочем диапазоне изменения расходов используются в Шаранском 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 100 700 «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 рекомендацийсодержит 162 страницы машинописного текста, в том числе 29 таблиц, 34 рисунка и одно приложение, библиографический список использованной литературы из 160 наименований.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

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

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

3 Предложен метод определения оптимального периода между очистками проточной части осевых компрессоров ГТУ по критерию минимальных удельных затрат на эксплуатацию установки. Показано, что для ГПА-16 оптимальным является период очистки порядка 110 суток.

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

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

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

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

Фв’пр кВт/(кгДО.

5 1,25.

С?пр)нпр> м3/мин.

Рисунок 1.7 — Приведенные характеристики центробежного нагнетателя 370−18−1.

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

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

ГЛАВА 2.

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

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

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

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

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

2.1. Техническое диагностирование газоперекачивающих агрегатов на основе эксергетического анализа.

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

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

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

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

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

2.1).

8 = с-1п—-Я-1п.

Р т1 т о.

Р ' г0 р

2.2).

49 где Т — фактическая температура, КР — фактическое давление, ПаТ0 — нормальная температура, К (Т0=273К) — Р0 — нормальное давление, Па (Р0=101 325Па). Теплоёмкость воздуха.

Ср.в=0,196-^+0,9943. (2.3).

5 Регенератор

Рисунок 2.1 — Энерготепловая схема ГПА ГТК-10−4.

Теплоёмкость дымовых газов:

Ср.г.=0,207-^. (2.4).

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

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

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