Технические решения по центробежным компрессорам производства АО «РЭП Холдинг» для ПАО «Газпром»
В. К. ЮН – д.т.н., главный конструктор Управления центробежных компрессоров ЗАО «ИЭМЭТ» (АО «РЭП Холдинг»)
А. С. РЕЙДЕР – начальник отдела расчетов и исследований компрессоров ЗАО «ИЭМЭТ» (АО «РЭП Холдинг»)
По данным ПАО «Газпром», центробежные компрессоры, эксплуатирующиеся на компрессорных станциях (КС) и дожимных компрессорных станциях (ДКС), имеют очень большой разброс по параметрам и начальным условиям, следовательно, огромное количество модификаций проточных частей и типов.
Обычно компрессоры разбивают на классы в зависимости от мощностного ряда приводов, в качестве которых служат газотурбинные двигатели (ГТД). Используемый парк ГТД, в настоящее время, насчитывает порядка 65 типов приводов. В основном это газотурбинные двигатели авиационного назначения, такие как ПС-90, НК-16-18, АЛ-31 мощностью 16 МВт. Также применяются ГТД судового типа: ДЖ-59, ДГ-59 и т. д. До середины 90-х годов прошлого столетия большую часть приводов составлял парк стационарных двигателей – это ГТ-750-6, ГТН-6Р, ГТК-10, ГТН-16Р, ГТК-25 и т. д., обладающих огромным ресурсом работы (более 150 тыс. часов). Согласно этому, класс мощности газоперекачивающих агрегатов (ГПА) подразделяются на 2.0 – 4.0 МВт, 6.0 – 8.0 МВт, 10.0 – 12.5 МВт, 16.0 – 25.0 МВт и в последнее время эксплуатируется ГПА мощностью 32.0 МВт и 50.0 МВт. Для агрегатов всех классов мощности разработаны и изготовлены центробежные компрессоры (ЦБК) на различные параметры газа с давлением на нагнетании от 2.0 МПа до 28 МПа. На предприятиях добычи ПАО «Газпром» в основном применяются ЦБК со сменными проточными частями (СПЧ) мощностью 16 МВт и со степенями сжатия от 1.5 до 4.0. Частота вращения ротора силовой турбины (СТ) ГТД мощностью 16 МВт отечественных производителей составляет 5300 об./ мин. Этих оборотов недостаточно для обеспечения изменившихся начальных условий ЦБК, чтобы повысить степень сжатия, поэтому необходимо увеличение частоты вращения ротора посредством мультипликаторов, либо удлинение размеров вала и корпуса, вмещающих до 10 – 12 рабочих колес.
Применение мультипликаторов в существующей технологической схеме ГПА осложнено прежде всего фундаментом и габаритно-присоединительными размерами трубопроводной обвязки, а также дополнительными расходами масла и внедрениями изменения в существующую маслосистему, что приведет к перепроектированию всей маслосистемы, включающих, в том числе насосы и аппараты воздушного охлаждения масла.
Увеличение нагрузки на фундамент и изменение габаритных размеров агрегата в части расположения ЦБК влечет за собой большие капитальные затраты и переработку проектной документации. Все это оправдано, когда нет альтернатив и других возможностей, чтобы обеспечить технологический процесс сжатия и перемещения природного газа по магистральным трубопроводам.
Что касается проточной части ЦБК при применении мультипликаторов, то в этом случае появляется возможность проектировать новые СПЧ с высокоэффективными рабочими колесами, в числе которых могут быть и осерадиальные рабочие колеса (ОРК) с пространственными лопатками. Корпус ЦБК может быть сохранен, но целесообразно для уменьшения массогабаритных характеристик изготовить новый. Примером такой реконструкции по внедрению мультипликатора и нового ЦБК на место существующей схемы с прежним приводом является II-ступень ДКС Вынгапуровского ГП ООО «Газпром добыча Ноябрьск».
На рис. 1 представлены прежняя схема (а) и новая схема (б) расположения ЦБК в составе ГТН-6-750. Новая схема расположения ЦБК с мультипликатором позволит сэкономить пространство в цехе для выполнения монтажных работ и выемки СПЧ, а также уменьшить нагрузку на фундамент и трубопроводную обвязку. Новый ЦБК имеет следующие основные параметры: объемная производительность, приведенная к начальным условиям – 74 м3/мин. конечное давление газа – 6.0 МПа; степень сжатия – 2.72; политропный КПД – 0.83; частота вращения ротора – 16335 об./мин.
Рис. 1. План расположения ЦБК на ДКС Вынгапуровского НГКМ
Для повышения степени сжатия ЦБК и уменьшения массогабаритных характеристик предложен другой вариант реконструкции ГПА, заключающемся в модернизации ГТД ГТН-6-750 с номинальной частотой вращения СТ с 6100 об./мин. до 10000 об./мин. и мощностью до 5.0 МВт. Для ГТД с новыми параметрами и с новой частотой вращения ротора СТ был изготовлен и испытан на стенде-предприятия ЦБК 215-61-1С для ДКС ГП-1, 4, 8 Медвежьего НГКМ ООО «Газпром добыча Надым» (фото 1).
Фото 1. Центробежный компрессор 215-61-1С на испытательном стенде
ЦБК имеет следующие основные параметры: объемная производительность, приведенная к начальным условиям – 219 м3/мин. конечное давление газа – 1.72 МПа; степень сжатия – 3.2; политропный КПД – 0.82; частота вращения ротора СТ – 10000 об./мин. Следует отметить, что в данном случае мультипликатор отсутствует, взамен масляных уплотнений ЦБК НЦ6-76 на новом ЦБК 215-61-1С используются сухие газодинамические уплотнения (СГУ). Корпус данного ЦБК 215-61-1С может вмещать до 8 рабочих колес и достигать степени сжатия до 4.0, при этом трубопроводная обвязка будет оставаться неизменной.
Важными техническими решениями, направленными на повышение эффективности технологических процессов добычи, сбора и подготовки углеводородного сырья, являются модернизация и замена СПЧ в существующих корпусах ЦБК.
Один из первых проектов по модернизации ЦБК был осуществлен в 2012 году на ДКС Западно-Таркосалинского НГКМ: «РЭП Холдинг» изготовил и поставил СПЧ с магнитными подвесами (МП) фирмы S2M и СГУ для компрессора 295ГЦ на степень сжатия 2.2. На фото 2 представлена СПЧ в существующем корпусе ЦБК 295 ГЦ2-500 производства НПО им. М. В. Фрунзе (г. Сумы, Украина). Основная трудность при проектировании СПЧ заключалась в недостаточной информации конструкторской документации по корпусу. Конструкторы АО «РЭПХ» совместно со специалистами эксплуатирующей организации – ООО «Газпром добыча Ноябрьск» произвели измерения корпуса ЦБК 295 ГЦ2-500 и спроектировали практически без ошибок СПЧ. Испытания на месте эксплуатации показали хорошие результаты, политропный КПД достиг 83%, на 5% превысив прежнее значение.
Фото 2. Сменная проточная часть в корпусе ЦБК 295 ГЦ2-500
На рис. 2 представлены газодинамические характеристики, полученные на месте эксплуатации. Монтаж СПЧ с МП был произведен в кратчайшие сроки, на все ушло не больше двух недель с момента доставки на место СПЧ и МП, настройка шкафа управления МП была произведена наилучшим способом, что позволило оценить и измерить осевые усилия на ротор ЦБК. Следует отметить, что система магнитных подвесов впервые позволяет нам оценить и измерить «действительные» осевые усилия, воздействующие на ротор ЦБК и тем самым сравнить с результатами расчетов. Оказалось, что результаты расчета осевых усилий могут отличаться от экспериментальных данных на величину порядка 2000 Н, при этом диапазон воспринимающих осевых нагрузок в МП составляет до 8000 Н. Таким образом, у нас появилась возможность корректировать расчетные методики определения осевых усилий.
Рис. 2. Газодинамические характеристики СПЧ 295ГЦ, полученные на месте эксплуатации
С учетом корректировок расчетов осевых усилий была изготовлена следующая СПЧ на степень сжатия 3.0 в этот же существующий корпус ЦБК 295ГЦ2-500. СПЧ имеет следующие основные параметры: объемная производительность, приведенная к начальным условиям – 485 м3/мин. конечное давление газа – 3.5 МПа; степень сжатия – 3.0; политропный КПД – 0.81; частота вращения ротора СТ – 5300 об./мин. Испытания на месте эксплуатации показали хорошие результаты, политропный КПД получен на уровне 82%, а осевые усилия с учетом корректировок не превышали 2500 Н, то есть разница между расчетными данными и полученными экспериментально достигала приблизительно 500 Н. В настоящее время СПЧ на степень сжатия 3.0 работают без замечаний.
Еще один пример профессионального подхода РЭП Холдинга к проектированию СПЧ представлен на фото 3. СПЧ для ЦБК в составе ГПА-10 на ДКС УКПГ-5В ООО «Газпром добыча Уренгой». Проблема ввода в эксплуатацию ГПА-10 на данной дожимной компрессорной станции заключалась в повышенной вибрации ротора ЦБК и выхода из строя СГУ. АО «РЭПХ» представил новую концепцию проточной части с измененной конструкцией СГУ фирмы «Трэм Казань». Проблема попадания масляных паров и масла во вторую ступень СГУ исчезла, после введения в конструкцию СПЧ уравнительной линии перед полостью первой ступени СГУ и внедрения дополнительного уплотнения за второй ступенью СГУ во избежание попадания масла вместе барьерным воздухом. Повышенная вибрация ротора была преодолена посредством высокочастотной балансировки на разгонно-балансировочном станке (РБС) на производственной площадке Холдинга. В настоящее время изготовлены следующие СПЧ – на степень сжатия 3.0. Испытания оборудования на стенде и на месте эксплуатации показали соответствие характеристик заданным параметрам. Как следствие, ООО «Газпром добыча Уренгой» заказывает в этом году еще 6 аналогичных СПЧ на степень сжатия 2,2.
Фото 3. Сменная проточная часть в корпусе ЦБК НЦ-10ДКС-01
Дальнейшее развитие по СПЧ и ЦБК для предприятий Департамента по добыче газа, газового конденсата, нефти подтверждается планом развития цехов по ступеням сжатия, то есть переходом на трехступенчатое сжатие. В каждой ступени необходимо обеспечить отношение давлений около 3.0, а в целом достигнуть отношение давлений – 27.0. В этом случае не обойтись без двух или трехкорпусных ЦБК, а именно с одним приводом будут работать два корпуса сжатия с промежуточным охлаждением газа.
Сложность двухкорпусных ЦБК состоит в герметичности первого корпуса, который должен иметь горизонтальный разъем, ввиду его ремонтопригодности. На фото 4 представлен такой вариант двухкорпусного ЦБК, он может снабжать как с мультипликатором, так и без него. Корпус низкого давления (КНД) рассчитан и работает на максимальное конечное давление до 35 бар, и может быть в двух вариантах с СГУ и с масляными уплотнениями. Возможно и другой вариант исполнения двухкорпусных ЦБК с двухпоточным мультипликатором. В этом случае расположение корпусов ЦБК будет параллельным, а мультипликатор трехвальным. Корпуса ЦБК изготавливаются с вертикальными разъемами типа «баррель», поэтому проблема герметичности горизонтального разъема корпуса отсутствует.
Фото 4. Двухкорпусной ЦБК К320-131-1
По мере снижения пластового давления газа и уменьшения дебита газа существующие ГТД из-за неполной «загрузки» работают неэффективно. Необходимо либо увеличивать напор в ЦБК посредством повышения степени сжатия, либо увеличивать расход. Если повышение степени сжатия ограничено по числу рабочих колес (в существующих корпусах ЦБК возможно до 7 рабочих колес), то по расходу есть возможность использовать ОРК с пространственными лопатками. Впервые для ООО «Газпром добыча Ноябрьск» РЭП Холдинг спроектировал, изготовил и испытал на стенде совершенно новый тип компрессора 910-41-1СМП на магнитных подшипниках. Создание нового компрессора с ОРК для ДКС Западно-Таркосалинского НГКМ было начато с исследовательских работ по модельным ОРК с пространственными лопатками. После экспериментальных работ были проведены численные исследования по оптимизации ОРК. В результате была получена оптимальная проточная часть ЦБК 910-41-1СМП. Следует отметить, РЭП Холдинг первым в России изготовил осерадиальные колеса цельнофрезерованным способом, то есть без сварки и применения заклепок, что значительно повышает их надежность.
ЦБК имеет следующие основные параметры: объемная производительность, приведенная к начальным условиям – 910 м3/мин. конечное давление газа – 2.058 МПа; степень сжатия – 2.2; политропный КПД – 0.82; частота вращения ротора СТ – 5300 об./мин. Испытания на стенде предприятия показали хорошие результаты, по области устойчивой работы ЦБК имеет пологую характеристику по сравнению с расчетной характеристикой. По степени сжатию на расчетном режиме имеет запас приблизительно 2%, что необходимо для восстановления ресурсных показателей после среднего и капитального ремонтов. Несколько занижен политропный КПД на 0,7%, относительно заданного по техническому заданию политропного КПД, вместо 82% получили 81,3%. Динамические и вибрационные показатели в норме, благодаря настройкам МП и их регулированию в областях близких критическим частотам ротора. На фото 5 представлен ротор компрессора 910-41-1СМП с ОРК и пространственными лопатками. После испытания первого опытного образца ЦБК с ОРК аналогичная СПЧ поставляется в корпусе 295ГЦ2, который эксплуатируется в настоящее время на ДКС Западно-Таркосалинского НГКМ.
Фото 5. Ротор компрессора 910-41-1СМП
Дальнейшее применения ОРК для добывающих предприятий неизбежно, так как все больше и больше возникает необходимость полной «загрузки» ГТД, не только мощностью 16 МВт, но и 10 МВт. Так, для ООО «Газпром добыча Уренгой», где используются ГПА-10 с частотой вращения СТ – 9000 об./мин., из-за снижения пластового давления требуются СПЧ с ОРК. В настоящее время, продолжаются исследовательские работы по оптимизации геометрии поверхности лопаток ОРК и получения оптимальных параметров для высокооборотных ЦБК в составе ГПА-10.
Для ДКС Чаяндинского НГКМ инженеры РЭП Холдинга спроектировали, изготовили и испытали новый ЦБК 285-61-1СМП также с МП и СГУ. Данный компрессор будет эксплуатироваться в составе ГПА-25 мощностью 25 МВт. ЦБК имеет следующие основные параметры: объемная производительность, приведенная к начальным условиям – 283 м3/мин. конечное давление газа – 10.35 МПа; степень сжатия – 2.2; политропный КПД – 0.825; частота вращения ротора СТ – 5000 об./мин. Испытания на стенде предприятия показали хорошие результаты, при выполнении основных параметров по напору в соответствии с техническим заданием, политропный КПД был достигнут 85%. Такой высокий показатель был получен благодаря предварительным исследовательским работам по модельным ступеням. В результате предварительных расчетов и экспериментов получен вариант проточной части с шестью рабочими колесами вместо традиционных пяти. За счет снижения абсолютных и относительных скоростей потока газа в элементах проточной части, тем самым уменьшив основные потери, получили оптимальную проточную часть с наименьшими потерями. В проточной части ЦБК 285-61-1СМП применены были спиральные камеры, также увеличивающие, как показывает опыт, политропный КПД.
Для ДКС Заполярного НГКМ Холдингом спроектирован, изготовлен и испытан компрессор ЦБК 425-41-1СМП также с применением системы магнитных подвесов и «сухих» газодинамических уплотнений. Оборудование будет эксплуатироваться в составе ГПА-16 мощностью 16 МВт. ЦБК имеет следующие основные параметры: объемная производительность, приведенная к начальным условиям – 355 м3/мин. конечное давление газа – 6.37 МПа; степень сжатия – 1.7; политропный КПД – 0.855; частота вращения ротора СТ – 5300 об./мин. Испытания на стенде предприятия показали хорошие результаты при выполнении основных параметров по напору в соответствии с техническим заданием, политропный КПД составил 87%. В настоящее время изготавливаются еще следующие по техническим требования проточный части ЦБК со степенью сжатия 2.2 и 3.0.
Еще один пример проектирования СПЧ в корпус существующих ЦБК ОАО «Компрессорный Комплекс» для ДКС «Юбилейная» ООО «Газпром добыча Надым». АО «РЭПХ» спроектировал и изготовил СПЧ для ЦБК Н498 на следующие параметры: объемная производительность, приведенная к начальным условиям – 585 м3/мин. конечное давление газа – 2.94 МПа; степень сжатия – 13.0; политропный КПД – 0.815; частота вращения ротора СТ – 5300 об./мин. СПЧ была выполнена полностью «сухой», а именно с СГУ и МП. Испытания сменной проточной части на стенде также подтвердили расчеты, политропный КПД был достигнут на уровне 83%.
Таким образом, за последние пять лет РЭП Холдинг изготовил по собственным проектам порядка 20 типов компрессоров и СПЧ для добывающих предприятий ПАО «Газпром» (представлены в табл. 1).
Таблица 1. Типы и количество ЦБК и СПЧ АО «РЭПХ»
В настоящее время при участии специалистов заказчика разрабатываются новые проточные части ЦБК и технологические схемы компримирования газа.
Статья в формате pdf →
-
192029, Санкт-Петербург,пр. Обуховской Обороны, д. 51
- ☎ +7 (812) 372-58-81
- nzl@reph.ru
- reph.ru
