методичка. Компрессоры, их классификация и использование в различных отраслях промышленности Компрессоры
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
Раздел первый ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ 1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ КС Компрессорные станции магистральных газопроводов предназначены для транспорта природного газа по трубопроводам от газовых месторождений до потребителей газа. Перемещение газа по трубопроводам происходит за счет упругой энергии, приобретаемой газом в компрессорных машинах КС при его сжатии. Компрессорные машины способны создавать достаточно ограниченные давления, величина которых обусловлена достигнутым уровнем развития техники, в частности, в области материаловедения, конструирования, создания высоконапорных трубопроводов и т. д. Существующий уровень техники позволяет перемещать газ после его сжатия компрессорными станциями на расстояние не более 100...200 км. При необходимости доставки газа на большие расстояния вынуждены прибегать к использованию нескольких станций с расположением их по трассам трубопроводов через каждые 100...200 км. Потребное количество КС находится по результатам технико-экономических расчетов, учитывающих особенности магистралей и базирующихся на определении гидравлических потерь в трубопроводах. Станции размещают вдоль трасс газопроводов по возможности равномерно, но обязательно принимая во внимание характер местности, развитие энергообеспечения, наличие инженерных коммуникаций в районах предполагаемого сооружения КС и т. п. Станции всегда устанавливаются за пределами застройки городов и других населенных пунктов, а также вне зон развития промышленных предприятий ввиду повышенной пожаро- и взрывоопасности производственных процессов, осуществляемых на КС. Основными параметрами КС, характеризующими станции с технологической точки зрения, являются давление и температура газа на входе и выходе станций, количество компримируемого газа. В основу классификации компрессорных станций магистральных газопроводов, отличающихся достаточным разнообразием, положены следующие признаки: -место расположения КС на трассе газопровода; -тип применяемых на станции компрессорных машин; -тип двигателей, приводящих в действие компрессорные машины; -количество ступеней сжатия газа на станции. Поместу расположения на трассе газопровода КС подразделяются на головные и промежуточные. Головные КС располагаются в непосредственной близости от месторождений и являются первыми станциями по ходу газа в транспортных магистралях. На них помимо сжатия газа могут предусматриваться технологические операции по его подготовке к дальнему транспорту. В этом случае на головных КС производятся сепарация, осушка и очистка газа от тяжелых углеводородных компонентов, влаги, сероводорода и углекислоты, одоризация компримируемого продукта. Промежуточные КС размещаются на трассах газопровода через определенные интервалы и предназначаются в основном для восполнения энергетических потерь газового потока. Из перечисленных технологических операций головных КС на промежуточных станциях выполняется только сжатие газа. На всех станциях, головных и промежуточных, перед компримированием газа производится его очистка от механических примесей, после компримирования - охлаждение. Очистка газа может осуществляться в одну или в две ступени. Одноступенчатая очистка предусматривается на всех КС, двухступенчатая – на каждой 3...5 станции, а также на КС, располагающихся после участков газопровода с повышенной вероятностью аварий. По типу компрессорных машин КС делятся на станции с поршневыми компрессорами и на станции с центробежными нагнетателями. Последние в свою очередь подразделяются на станции с полнонапорными или неполнонапорными нагнетателями в зависимости от развиваемой машинами степени сжатия газа и соотношения ее с требуемой степенью сжатия КС. По типу двигателей, приводящих компрессорные машины, или по типу привода КС классифицируются на станции с приводом от поршневых газовых двигателей, газовых турбин и электродвигателей. Привод от поршневых газовых двигателей характерен для поршневых компрессоров, привод от газовых турбин и электрических двигателей - для центробежных нагнетателей. По количеству ступеней сжатия КС подразделяются на станции с одно- , двух- и трехступенчатым сжатием. Наличие нескольких ступеней сжатия является отличительной чертой станций с неполнонапорными нагнетателями; КС с поршневыми компрессорами и с полнонапорными нагнетателями имеют только одну ступень сжатия. Приведенную классификацию компрессорных станций магистральных газопроводов можно дополнить, если рассматривать станции с инженерно-строительной точки зрения. В этом плане встречается два вида КС - станции в капитальном исполнении и станции в блочном исполнении. На КС в капитальном исполнении основное оборудование станций размещается в зданиях каркасного типа, состоящих из несущих колонн, облегченных стенных панелей и плит перекрытия. На станциях в блочном исполнении оборудование монтируется в компактных металлических блоках заводского изготовления, которые доставляются на площадку КС в полностью готовом виде и с установленным в них оборудованием. 2. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ Компрессорные станции выполняют свою главную функцию - компримирование газа - благодаря согласованному взаимодействию различного оборудования, размещенного на территории КС. Данное оборудование в соответствии с его ролью в технологическом процессе подразделяется на две группы: - основное технологическое оборудование; - оборудование подсобно-вспомогательного назначения. Основное технологическое оборудование выполняет, работу по непосредственному транспорту газа. К нему относятся устройства очистки газа от механических примесей перед компримированием газового потока, газоперекачивающие агрегаты и установки охлаждения газа. Перечисленное оборудование сосредоточено на соответствующих узлах - на узлах очистки, компримирования и охлаждения газа. Узел компримирования чаще именуется компрессорным цехом (КЦ). Оборудование подсобно-вспомогательного назначения включает в себя многообразные технические средства, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу основных объектов КС. В эту вторую группу оборудования входят: -узел подготовки газа топливного, пускового, импульсного и газа собственных нужд; -средства связи; -трансформаторная подстанция; -котельная или установка утилизации тепла выхлопных газов турбопривода КС; -средства водоснабжения и т. п. При подразделении оборудования компрессорных станций по степени его значимости особое место отводится газоперекачивающим агрегатам (ГПА). Они выделяются в отдельную градацию - основное оборудование КС. Газоперекачивающие агрегаты состоят из компрессорных машин и их привода. ГПА размещаются в компрессорных цехах, которые могут иметь различное инженерно-строительное исполнение (см. раздел 1). На современных КС в основном встречается три типа газоперекачивающих агрегатов: -газомотокоморессоры; -турбоприводные ГПА; -электроприводные ГПА. Каждый тип перекачивающих агрегатов имеет свою область рационального применения, обусловленную в первую очередь спецификой входящих в них компрессорных машин и двигателей. 2.1. Газомотокомпрессоры Газомотокомпрессор (ГМК) представляет собой конструкцию, состоящую из поршневого компрессора и поршневого газового двигателя внутреннего сгорания, объединенных в одно целое общим коленчатый валом и распложенных в едином блоке на общей фундаментной раме. Данная конструктивная схема ГМК является самой общей. В реальных газомотокомпреесорах она реализуется в двух вариантах. По одному из вариантов силовые цилиндры двигателя ГМК располагаются вертикально в ряд, по другому - V-образно в два ряда с углом междуосями цилиндров60° . Цилиндры компрессора в обоих случаях имеют одинаковое рядное расположение в горизонтальной плоскости. Варианты конструкций газомотокомпрессоров приведены на рис. 2.1 и рис.2.2. Газовый двигатель ГМК работает по двухтактному циклу с щелевой продувкой. Современные газомотокомпрессоры для повышения их мощности оснащаются газотурбинным наддувом. Поршневой компрессор ГМК - двухстороннего действия. Его подача регулируется изменением числа оборотов коленчатого вала агрегата (двигателя) и изменением объема мертвого пространства цилиндров компрессора путем подключения к их рабочему объему дополнительного объема, называемого "карманом". Газомотокомпрессоры выпускаются по достаточно широкой номенклатуре, из которой на магистральных газопроводах используются преимущественно: 10ГК, 10ГКМ, 10ГКМА, 10ГКН, МК-8, ДР-12. Из приведенного перечня в подавляющем большинстве случаев ( в 80 % ) находят применение 10ГК и 10ГКНА. Маркировка ГМК расшифровывается следующим образом: цифры обозначают количество силовых цилиндров двигателя агрегата; Г – газовый; К - компрессор; М - модернизированный; Н - с наддувом; А - с системой автоматики; МК- мотокомпрессор; ДР - завод-изготовитель "Двигатель революции". В полной маркировке ГМК помимо отмеченных сведений о машинах указывается число ступеней сжатия в компрессоре, давление на всасывании и нагнетании ГМК. Например: 10ГКМ 1/25-55, где 1 - число ступеней сжатия в компрессоре, 25 и 55-соответственно давление на всасывании и на нагнетании ГМК в кгс/см2. Все разновидности газомотокомпрессоров 10ГК, а также ГМК типа ДР-12 имеют V-образное расположение цилиндров двигателя; у МК-8 цилиндры двигателя составляют один ряд в вертикальной плоскости. Основные технические характеристики рассмотренных выше газомотокомпрессоров приведены в Приложении 1, загрузочные кривые ГМК - в Приложении 2. Газомотокомпрессорам как средствам транспорта газа присущи следующие достоинства: - способность работать в широком диапазоне давлений; - наличие двух экономичных способов регулирования подачи изменением частоты вращения коленчатого вала агрегата и изменением объема мертвого пространства; - длительный срок службы; -сравнительно высокий для газоперекачивающих агрегатов к.п.д. (до37%). К недостаткам данного типа машин относятся: - значительный вес на единицу мощности (около 85 кг/кВт); - большая неуравновешенность движущихся деталей, требующая для снижения вибрации оборудования значительного фундамента; - пульсирующая подача, приводящая к неустановившемуся течению газа, вибрации оборудования и трубопроводов, к излишней потери энергии; - потребность в мощной системе охлаждения компрессора и двигателя; - значительный расход масла (2,5...3,4 г/(кВт-ч)) из-за большого количества узлов трения и необходимости смазки внутренних поверхностей цилиндров двигателя и компрессора. Совокупные достоинства и недостатки ГМК обеспечили им в трубопроводном транспорте газа область рационального применения, ограниченную компрессорными станциями малой производительности (до10...15млн.м2/сут). 2.2. Турбоприводные газоперекачивающие агрегаты Турбоприводной ГПА состоит из центробежного нагнетателя и соосно расположенной с ним газотурбинной установки (ГТУ). Валы роторов нагнетателя и силовой турбины ГТУ соединяются между собой либо через промежуточный вал с помощью соединительных зубчатых муфт, либо через повышающий редуктор - как правило, одноступенчатый с шевронной передачей. Газотурбинная установка ГПА включает в себя комплекс механизмов и устройств, основным предназначением которых является создание рабочего тела для силовой турбины, непосредственно приводящей в действие центробежный нагнетатель. Рабочее тело - продукты сгорания топливного газа ГТУ; газ сжигается в камере сгорания, куда для обеспечения его горения подается воздух с помощью осевого компрессора ГТУ. В состав газотурбинных установок, применяемых для транспорта газа, может входить до двух осевых компрессоров. Привод их осуществляется специальными турбинами, также являющимися неотъемлемой частью ГТУ. Осевые компрессоры и приводящие их турбины располагаются на одном валу – отдельном для каждого компрессора и приводящей его турбины. У некоторых типов ГТУ принята несколько иная компоновка, отличная от только что рассмотренной; привод нагнетателя и осевого компрессора у них осуществляется одной турбиной. Таким образом, в зависимости от количества осевых компрессоров и организации их привода газотурбинные установки могут быть одно-, двух- и трехвальными. Валы всех турбин, составляющих ГТУ, располагаются соосно и продукты сгорания газа, выходя из камеры сгорания, проходят последовательно все турбины, отдавая каждой из них часть своей энергии. Общая компоновка ГПА и назначение основных функциональных элементов агрегата хорошо видны на тепловой схеме ГТУ. Подобная схема для наиболее распространенной в газовой промышленности двухвальной газотурбинной установки изображена на рис. 2.3, где дан один из ее вариантов, соответствующий общему виду ГПА, когда в ГТУ используется рекуперация тепла отходящих газов, а привод нагнетателя осуществляется через редуктор. Тепловая схема одновальной установки практически повторяет схему двухвальной, отличаясь от нее лишь отсутствием разрыва между ТВД и ТНД и наличием одной турбины вместо двух (ТВД и ТНД). Тепловая схема трехвальной ГТУ показана на рис. 2.4. Все рассмотренные разновидности ГТУ имеют один и тот же принцип действия, который заключается в следующем (см. рис. 2.3). При работающей установке осевой компрессор (ОК) 5 засасывает атмосферный воздух через воздухозаборную камеру 4, сжимая его до 0,4...1,3-МПа (в зависимости от конкретного типа ГТУ) и через рекуператор 1 подает в камеру сгорания (КС) 8, куда одновременно поступает топливный газ. Продукты сгорания с температурой 970...1270 К направляются из КС на турбину высокого давления ТВД, затем на турбину низкого давления ТНД, где совершают работу по приведению турбин в действие. При этом термодинамическая энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию вращения турбин и передается от ТВД осевому компрессору, а от ТНД - нагнетателю 7. После ТНД отработанные газы выбрасываются в атмосферу через дымовую вертикальную трубу 3. На ряде ГТУ остаточная тепловая энергия используется для повышения к.п.д. установок путем подогрева с ее помощью воздуха перед камерой сгорания. Теплообмен между отходящими газами и воздухом проводят в рекуператорах. Повышение к.п.д. газотурбинных установок нагревом воздуха в рекуператорах достигается за счет более рационального использования энергии продуктов сгорания. Последняя равна энергии, выделяющейся при горении топливного газа, минус различные потери, сопровождающие процесс горения и процесс движения продуктов от камеры сгорания до турбин. Значительную часть энергетических потерь здесь составляют потери от неизбежного и непроизводительного нагрева исходной газовоздушной смеси в камере сгорания. При повышении температуры воздуха, составляющего по массе подавляющий компонент данной смеси, непроизводительный расход анергии на нагрев смеси сокращается. В итоге энергия продуктов сгорания, достигающих турбины становится выше и мощность ГТУ возрастает. Таким образом, при использовании рекуператоров мощность установок увеличивается, но не за счет дополнительного сжигания топливного газа, а в результате более рационального использования энергии уже имеющихся продуктов сгорания. Это приводит к повышению к.п.д. газотурбинных установок. Несмотря на то, что в рекуператорах продукты сгорания теряют значительную часть своего тепла, они сохраняют еще достаточное количество энергии и выбрасываются в атмосферу с довольно высокой температурой порядка 640.. .690 К. Такой выброс, составляющий для каждой установки десятки и сотни тонн раскаленных газов ежечасно, оказывает негативное тепловое воздействие на окружающую среду и снижает экономические показатели газотранспортных систем от недоиспользования энергии топливного газа. Для уменьшения и по возможности устранения подобных недостатков на выходе ГТУ в последнее время устанавливают так называемые котлы-утилизаторы - теплообменники, дополнительно отводящие от выхлопных газов тепловую энергию, утилизируемую затем на различных объектах КС, других близлежащих производствах и в населенных пунктах. Из рассмотренного принципа действия газотурбинных установок следует, что работа установок возможна лишь при функционировании ТВД и осевого компрессора ОК. У неработающего агрегата эти элементы бездействуют. Следовательно, пуск газотурбинных установок в работу должен осуществляться специальным устройством, приводящим в действие ТВД и ОК. Таким устройством на ГТУ является турбодетандер (ТД) или пневмодвигатель - расширительная газовая турбина, приводимая в действие упругой энергией пускового газа. Вал турбодетандера находится в зацеплении с валом турбины высокого давления ТВД через зубчатый редуктор с расцепным устройством. При подаче пускового газа в турбодетандер 2 последний приводит во вращение вал ТВД и осевой компрессор (см. рис. 2.3). Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания, куда одновременно подается топливный газ, в камере сгорания включается запальная горелка, затем основная рабочая горелка - образуются продукты сгорания и поступают на ТВД и ТНД. Газотурбинная установка приходит в действие. С набором турбиной высокого давления определенной частоты вращения и мощности, достаточной для привода ею осевого компрессора, расцепное устройство автоматически отсоединяет вал ТД от вала ТВД. После этого в течение некоторого времени турбины "раскручиваются" и набирают мощность, затем выходят на рабочий режим. Турбодетандеры являются достаточно высокооборотными машинами. Поэтому во избежание поломок в элементах ГТУ (в результате "прихвата" опорных шеек валов в подшипниковых узлах, задевания лопаточного аппарата осевых компрессоров и турбин о статоры агрегатов и т. п.) пуску ГТУ от турбодетандера предшествует проворачивание валов установки валоповоротными устройствами (на рис. 2.3 не показаны), находящимися на каждом валу ГТУ. Каждое валоповоротное устройство состоит из электродвигателя и понижающего червячного редуктора со специальным расцепным устройством. Валоповоротные устройства включаются перед пуском ГТУ, выводят массивные роторы установки из состояния покоя и тем самым облегчают последующий запуск турбодетандера. При работающих валоповоротных устройствах проверяется возможность включения турбодетандера и, если этому нет препятствующих моментов в виде "прихватов", задеваний и т. д., производят пуск турбодетандера ТД и ГТУ в целом. При вхождении ТД в работу и увеличении частоты вращения роторов ГТУ расцепные устройства валоповоротных механизмов автоматически отключают валы электродвигателей от валов турбин, затем прекращается электропитание двигателей. В качестве пускового и топливного газа ГТУ на КС используется транспортируемый станциями газ после его соответствующей подготовки (см. раздал 7). Топливный газ, как отмечалось выше, сжигается в камерах сгорания газотурбинных установок, пусковой после совершения им работы в турбодетандерах выбрасывается в атмосферу. При этом каждый пуск одного агрегата сопровождается сбросом в атмосферу до 10 тонн газа, что отрицательно сказывается на окружающей среде и приводит к дополнительным потерям транспортируемого газа - ценного топлива и химического сырья. Газотурбинные установки, используемые в газовой промышленности, различаются не только тепловыми схемами, но и конструктивным исполнением, зависящим от первоначального назначения ГТУ. В этом плане различают три вида установок: - стационарные газотурбинные установки; - ГТУ на базе авиационных двигателей; - ГТУ на базе судовых двигателей. |