2024 ООО «Импекс-1»
«Аспекты применения компрессоров различного назначения для парогазовых установок»
О.А. Сиделев
С.Н. Синицын (к.т.н.)
С.Н. Синицын (к.т.н.)
В парогазовых установках применяются давления природного газа на входе в турбину в диапазоне 2...5 МПа в зависимости от производителя турбины. Давление природного газа в газопроводах низкого и среднего давления составляет 0,2...1,2 МПа в зависимости от расположения и возможностей ГРП на ТЭС.
Для обоснования подачи природного газа из газопровода на ГРП-ТЭС проектный институт должен иметь полную картину для расчета давления подачи в ПГУ с учетом имеющихся потерь давления в отключающей арматуре до БППГ. При этом в составе ТЭО рассматриваются различные решения с применением дожимных компрессорных установок (далее ДКУ) для обеспечения оптимальных условий их стабильной работы.
Для обоснования подачи природного газа из газопровода на ГРП-ТЭС проектный институт должен иметь полную картину для расчета давления подачи в ПГУ с учетом имеющихся потерь давления в отключающей арматуре до БППГ. При этом в составе ТЭО рассматриваются различные решения с применением дожимных компрессорных установок (далее ДКУ) для обеспечения оптимальных условий их стабильной работы.
Рассмотрим более подробно основные требования, предъявляемые к компрессорам ДКУ в условиях ТЭС:
- остановка ДКУ может привести в 80 % случаев к аварийному останову газовой турбины и рассматривается как крайне нежелательная ситуация производителем ГТ. Система защит ДКУ и уставки для низких оборотов газогенераторов зависимости от производителя ГТ отличаются, поэтому компрессор должен обладать крайне высокой надежностью;
- переменное давление газа на входе в ДКУ: в зависимости от режима давления в газопроводе давление после ГРП может колебаться от 0,05 до 0,1 МПа - как следствие, изменение параметров газа требует устой-чивости к изменению объемной производи-тельности на входе в компрессор;
- переменная температура газа на входе в ДКУ, а в некоторых случаях и состав газа, в зависимости от изменения температуры окружающей среды, может привести к изменению плотности и калорийности газа и требует соответствующей гибкости в работе компрессора;
- точное постоянное давление на выходе из ДКУ для стабильной работы газовой турбины;
- быстрая разгрузка и загрузка, сохранение работоспособного состояния при «отвале» турбины;
- точное регулирование расхода газа в зависимости от режима газовой турбины; n ремонтопригодность и короткий срок ремонта компрессора, возможность проводить ремонт на месте установки;
- компактность оборудования для установки на существующих ТЭС;
- адекватная стоимость запасных частей и сервисных работ по отношению к себестоимости оборудования.
Центробежные компрессоры
Как известно, они являются компрессорами динамического типа сжатия. Требования к регулированию возникают в случае изменения давления, температуры, плотности газа на входе или изменения объемной производительности. Обладают следующими характеристиками:
Как известно, они являются компрессорами динамического типа сжатия. Требования к регулированию возникают в случае изменения давления, температуры, плотности газа на входе или изменения объемной производительности. Обладают следующими характеристиками:
- надежны при корректном выборе конструкции компрессора, но для ДКУ требуется многоступенчатое сжатие, что усложняет компрессор и требует межступенчатого охлаждения;
- могут поддерживать точное давление на выходе, однако желательно иметь постоянное давление, температуру, плотность на входе;
- быстрые загрузки и разгрузки могут осуществляться за счет байпасных клапанов, но всегда есть риск помпажа компрессора, поэтому обязательна установка дорогостоящих антипомпажных клапанов;
- на входе есть опциональный регулятор производительности в виде направляющего аппарата, действующий по принципу: создание сопротивления потоку газа на всасывающем патрубке (во-первых, конструктивно это не всегда возможно, во-вторых, регулировать производительность в широком диапазоне электроприводу без ЧРП затруднительно).
- низкая ремонтопригодность, долгий срок ремонта, невозможно проводить капремонт компрессора в станционных условиях (только с вывозом компрессора с ТЭС);
- оборудование компактно, но поскольку требуется резервирование, то в сочетании с решениями по межступенчатому охлаждению значительно усложняется трубопроводная обвязка;
- высокая стоимость компрессора, антипомпажной системы и двигателя с ЧРП;
- высокая стоимость запасных частей и сервисных работ.
Рис. 1.
Производство винтовых пар компрессоров института СSSC, г. Шанхай
Производство винтовых пар компрессоров института СSSC, г. Шанхай
Поршневые компрессоры
Являются компрессорами объемного типа сжатия, хорошо работают в случае изменения давления на входе, но плохо регулируются при изменении объемной производительности. Ступенчатое регулирование возможно только отключением цилиндров или внешним байпасом. Обладают следующими характеристиками:
Являются компрессорами объемного типа сжатия, хорошо работают в случае изменения давления на входе, но плохо регулируются при изменении объемной производительности. Ступенчатое регулирование возможно только отключением цилиндров или внешним байпасом. Обладают следующими характеристиками:
- надежны, имеют конструкцию с большим количеством движущихся деталей. Как правило требуется многоступенчатое сжатие, усложнение согласования PID—схем на стадии проекта;
- быстрые загрузки и разгрузки могут осуществляться за счет байпасных клапанов и отключения цилиндров, отсутствует риск помпажа компрессора;
- точное регулирование производительности только за счет внешнего байпаса, а ступенчатое регулирование не всегда возможно включением/отключением цилиндров;
- высокая ремонтопригодность: капремонт компрессора выполняется в условиях станции;
- оборудование занимает большую площадь и имеет сложно разветвленную обвязку.
Предварительно поршневой тип компрессора технически возможен для ДКУ, но исходя из данных таблицы, уже только на основе технико-экономических показателей выбор обоснован в пользу винтовой машины. Это обусловлено и тем, что длительность их ремонта и средняя стоимость запасных частей все-таки значительно выше, чем у винтовых компрессоров, а это, в свою очередь, усложняет планирование и требует наличия «горячего» склада ЗИП.
В области компримирования газа, будь то сжатие газа с одним хладагентом или многокомпонентным попутным газом нефтя- ных месторождений, поршневые и винтовые компрессоры уже подтвердили свою эффективность и имеют достаточный опыт эксплуатации. Поэтому в энергетике существует тенденция замены поршневых компрессоров винтовыми, что уже произошло в Европе и США, а также в Китае.
В области компримирования газа, будь то сжатие газа с одним хладагентом или многокомпонентным попутным газом нефтя- ных месторождений, поршневые и винтовые компрессоры уже подтвердили свою эффективность и имеют достаточный опыт эксплуатации. Поэтому в энергетике существует тенденция замены поршневых компрессоров винтовыми, что уже произошло в Европе и США, а также в Китае.
Рис. 2.
Винтовой компрессор производства CSSC, г. Шанхай
Винтовой компрессор производства CSSC, г. Шанхай
Винтовые компрессоры
Как и поршневые компрессоры, это машины объемного типа ротационного принципа сжатия. Они хорошо работают и регулируются в случае изменения давления, температуры, плотности газа на входе или изменения объемной производительности, оснащены встроенным плавным регулятором. Имеют следующие преимущества:
Как и поршневые компрессоры, это машины объемного типа ротационного принципа сжатия. Они хорошо работают и регулируются в случае изменения давления, температуры, плотности газа на входе или изменения объемной производительности, оснащены встроенным плавным регулятором. Имеют следующие преимущества:
- надежны за счет простой конструкции: имеют широкий диапазон давлений на режиме (всасывание/нагнетание) для ДКУ одноступенчатого типа;
- способны поддерживать точное давление на выходе в случае незначительных изменений давления на входе;
- быстрые загрузки и разгрузки могут осуществляться за счет байпасных клапанов и за счет встроенного регулятора, при этом отсутствует риск помпажа компрессора;
- есть встроенный орган регулирования производительности в широком диапазоне расхода 20...100 %.
- компрессор адаптируется под параметры газа на всасывании и нагнетании;
- высокая ремонтопригодность, короткий срок ремонта в силу простой конструкции компрессора, возможен капитальный ремонт компрессора на ДКС;
- компактность оборудования;
- средняя стоимость компрессора; относительно невысокая стоимость запасных частей и сервисных работ.
Рис. 3.
Каскадная холодильная установка на базе винтового компрессора Yantaimoon
Каскадная холодильная установка на базе винтового компрессора Yantaimoon
Наиболее популярным решением для ПГУ
в России до введения санкций было применение дожимных винтовых компрессоров GEO Grasso модели SP2 (заводы в Нидерландах, Германии, США). Агрегат, построенный на общей опорной раме, с применением системы управления масляным контуром и общего управляющего устройства был относительно прост в его установке, но в дальнейшем сложнее и дороже в эксплуатации и обслуживании.
Разработки китайских инженеров уже достигли значимого уровня, накоплен опыт объединением в одном агрегате конструкции с двумя отдельными приводами, что обеспечивает значительную эргономичность и гибкость режимов ДКУ. В настоящее время наиболее эффективные решения с приме- нением винтовых компрессоров для ДКУ от крупных китайских производителей предлагает Huaxun Group Ru. Компания представляет на российский рынок разработки новейшего компрессорного оборудования от ведущих институтов винтовых машин СSSC (г. Шанхай) и MOONTECH (г. Янтай), которые не уступают по качеству ушедшим из РФ производителям аналогичных машин западных стран.)
При сравнении с поршневой машиной китайские производители подтверждают, что регулирование объема газа золотниковым клапаном будет гораздо эффективнее с точки зрения снижения энергозатрат для ПГУ, так как энергопотребление компрессора пропорционально объему потребляемого турбиной газа. В этом случае можно добиться реальной экономии энергии, работая на режимах с половинной нагрузкой, и более точно контролировать рабочее состояние «компрессор—турбина».
в России до введения санкций было применение дожимных винтовых компрессоров GEO Grasso модели SP2 (заводы в Нидерландах, Германии, США). Агрегат, построенный на общей опорной раме, с применением системы управления масляным контуром и общего управляющего устройства был относительно прост в его установке, но в дальнейшем сложнее и дороже в эксплуатации и обслуживании.
Разработки китайских инженеров уже достигли значимого уровня, накоплен опыт объединением в одном агрегате конструкции с двумя отдельными приводами, что обеспечивает значительную эргономичность и гибкость режимов ДКУ. В настоящее время наиболее эффективные решения с приме- нением винтовых компрессоров для ДКУ от крупных китайских производителей предлагает Huaxun Group Ru. Компания представляет на российский рынок разработки новейшего компрессорного оборудования от ведущих институтов винтовых машин СSSC (г. Шанхай) и MOONTECH (г. Янтай), которые не уступают по качеству ушедшим из РФ производителям аналогичных машин западных стран.)
При сравнении с поршневой машиной китайские производители подтверждают, что регулирование объема газа золотниковым клапаном будет гораздо эффективнее с точки зрения снижения энергозатрат для ПГУ, так как энергопотребление компрессора пропорционально объему потребляемого турбиной газа. В этом случае можно добиться реальной экономии энергии, работая на режимах с половинной нагрузкой, и более точно контролировать рабочее состояние «компрессор—турбина».
Винтовые машины для сжатия природного газа, прошедшего подготовку в БППГ, конструктивно предлагаются в варианте с впрыском масла. Маслозаполненное исполнение компрессора рекомендуется для сжатия более тяжелых по молекулярному весу углеводородных газов нефтяных месторождений и для обеспечения процессов нефтехимического производства.
Винтовая пара ведомого и ведущего роторов сцепляются друг с другом и вращаются в обратном направлении в соответствии с определенным передаточным числом. При вращении происходит периодическое изменение объема для обеспечения уровня производительности и сжатия газа. В качестве ротора используется двусторонний асимметричный винт в форме конверта с полной дугой (национальный патент MOONTECH — ZL02293802.8). В режиме работы компрессора под нагрузкой система распыляет определенное количество смазочного масла в рабочую камеру компрессора через внешний масляный насос. Впрыск масла осуществляется после охлаждения в маслоохладителе, что необходимо для эффективного снижения температуры и шума компрессора. При этом масляная пленка также улучшает герметичность компрессора за счет уменьшения перетока газа как между роторами, так и между ротором и корпусом машины.
Особенно важно, что рекомендуется использовать оригинальное компрессорное холодильное масло серии Binglun на основе рафинированного синтетического масла с добавлением специальных присадок.
Только в этом случае изготовитель гарантирует максимально эффективную работу винтового компрессора на природном газе, учитывая физико-химические свойств масла:
Винтовая пара ведомого и ведущего роторов сцепляются друг с другом и вращаются в обратном направлении в соответствии с определенным передаточным числом. При вращении происходит периодическое изменение объема для обеспечения уровня производительности и сжатия газа. В качестве ротора используется двусторонний асимметричный винт в форме конверта с полной дугой (национальный патент MOONTECH — ZL02293802.8). В режиме работы компрессора под нагрузкой система распыляет определенное количество смазочного масла в рабочую камеру компрессора через внешний масляный насос. Впрыск масла осуществляется после охлаждения в маслоохладителе, что необходимо для эффективного снижения температуры и шума компрессора. При этом масляная пленка также улучшает герметичность компрессора за счет уменьшения перетока газа как между роторами, так и между ротором и корпусом машины.
Особенно важно, что рекомендуется использовать оригинальное компрессорное холодильное масло серии Binglun на основе рафинированного синтетического масла с добавлением специальных присадок.
Только в этом случае изготовитель гарантирует максимально эффективную работу винтового компрессора на природном газе, учитывая физико-химические свойств масла:
- термическую стабильность. Высокая термическая стабильность и антипенные свойства предотвращают изменение свойств масла при высоких температурах;
- хорошую смазывающую способность. Вязкость и температура способствуют безопасной и стабильной работе компрессора;
- высокую растворимость и эффективность разделения с алканами;
- высокую температуру вспышки, низкую температуру замерзания, низкую зольность, низкий остаток углерода и другие улучшенные свойства.
Табл.
Сравнение технико- экономических показателей компрессоров
Сравнение технико- экономических показателей компрессоров
Выпущенная из компрессора газомасляная
смесь поступает в высокоэффективный маслоотделитель, где под действием многократного гравитационного (ударного) разделения жидкости сжатый газ попадает в высокоэффективный сепаратор, где он снова подвергается ударному и гравитационному сепарированию, а высокоточный фильтру- ющий элемент перехватывает и адсорбирует его для дальнейшего снижения содержания масла в выхлопных газах. Применение газомасляного фильтрующего элемента обеспечивает содержание масла в выхлопных газах на уровне ниже 5 ppm, что принципиально решает проблему безвозвратных потерь. Эффект безвозвратных потерь для этих машин стремится к нулю. Маслоотделитель оснащен смотровым стеклом и электрическим нагревателем.
Винтовые компрессоры оснащаются двойным масляным фильтром, имеющим тонкость фильтрации около 20 мкм при сравнительно неболь- шом сопротивлении в контуре. Конструкция с клапаном переключения фильтра позволяет улучшить показатели очистки и обеспечить своевременность его замены.
смесь поступает в высокоэффективный маслоотделитель, где под действием многократного гравитационного (ударного) разделения жидкости сжатый газ попадает в высокоэффективный сепаратор, где он снова подвергается ударному и гравитационному сепарированию, а высокоточный фильтру- ющий элемент перехватывает и адсорбирует его для дальнейшего снижения содержания масла в выхлопных газах. Применение газомасляного фильтрующего элемента обеспечивает содержание масла в выхлопных газах на уровне ниже 5 ppm, что принципиально решает проблему безвозвратных потерь. Эффект безвозвратных потерь для этих машин стремится к нулю. Маслоотделитель оснащен смотровым стеклом и электрическим нагревателем.
Винтовые компрессоры оснащаются двойным масляным фильтром, имеющим тонкость фильтрации около 20 мкм при сравнительно неболь- шом сопротивлении в контуре. Конструкция с клапаном переключения фильтра позволяет улучшить показатели очистки и обеспечить своевременность его замены.
- В винтовом компрессоре данной конструкции используются аэрокосмические подшипники скольжения на обоих концах ротора для восприятия радиальной нагрузки. На выпускной стороне ротора установлена пара однорядных радиально-упорных подшипников для восприятия осевой нагрузки, в которых также применяются полимерные компоненты.
Рис. 4.
Испытательный контур винтовых компрессоров института CSSC, г. Шанхай
Испытательный контур винтовых компрессоров института CSSC, г. Шанхай
Поршень-балансир (думмис) служит для снижения нагрузки от осевой силы на подшипник качения, на выпускном конце ротора установлена регулировочная прокладка для уплотнения осевого зазора между ротором и выпускной торцевой поверхностью. Высокая точность изгото- вления позволяет достичь минимального зазора, что эффективно снижает вибрацию и шум компрессора.
Учитывая, что для данного класса машин капитальный ремонт проводится в среднем при наработке 25 тыс. часов, затраты на запасные части и проведение работ составляют примерно 5 млн. рублей без НДС.
Замена механических уплотнений вала, устойчивых к высоким температурам, стресс- коррозии, производится при наработке 16 тыс. часов, затраты на запасные части и проведение работ составляют 1,5—2 млн рублей без НДС.
Учитывая, что для данного класса машин капитальный ремонт проводится в среднем при наработке 25 тыс. часов, затраты на запасные части и проведение работ составляют примерно 5 млн. рублей без НДС.
Замена механических уплотнений вала, устойчивых к высоким температурам, стресс- коррозии, производится при наработке 16 тыс. часов, затраты на запасные части и проведение работ составляют 1,5—2 млн рублей без НДС.
В сочетании с решением автокалибровки для мембранной муфты, ответственной за соосность и контроль виброперемещений компрессора-двигателя, срок службы и запас ресурса подшипников скольжения сохраня- ется на уровне 80 тыс. часов. Это способствует увеличению срока службы уплотнений вала и других систем компрессора, обеспечивая надежность и бесперебойную работу в течение десяти лет.
Оригинальность применяемых конструкций подшипников и муфт, уплотнительных узлов в дополнение к другим указанным преимуществам регулирования винтовых машин наиболее полно удовлетворяет условиям их выбора для проектных решений на ПГУ-ТЭС, обеспечивая при этом:
n режим быстрой разгрузки/загрузки
с сохранением работоспособного состояния
при «отвале» турбины;
n повышение объемной эффективности
сжатия на переменных режимах;
n точное регулирование расхода газа в зависимости от режима потребления
ПГУ-ТЭС;
n постоянное давление на выходе ДКУ для
стабильной работы газовой турбины;
n снижение энергопотребления и эффективное использование ресурса ДКУ в составе
ПГУ-ТЭС.
- В Китае замена поршневых компрессоров винтовыми в энергетике давно стала тенденцией, и авторы надеются, что технология производства винтовых компрес- соров поможет развитию решений по агрегатированию в РФ для компаний- пользователей и их совершенствованию
www.turbine-diesel.ru /январь-февраль 2024