Modelling and optimization of airpreparation system for the gaz pumping unit

Full Text

Для повышения надежности и эффективности газотранспортного оборудо- вания в процессе эксплуатации необходимо решать задачи, связанные с усовер- шенствованием и модернизацией имеющегося оборудования. На сегодняшний день широко применяются комплексы автоматизированного программного про- ектирования, которые позволяют создавать модели сложного оборудования, Владимир Константинович Тян (д.т.н., проф.), заведующий кафедрой «Трубопро- водный транспорт». Рамиль Юнесович Абушаев, магистрант. Татьяна Евгеньевна Артеева, хим. лаборант, «Транснефть Сибирь». Светлана Анатольевна Гулина (к.т.н.), доцент кафедры «Трубопроводный транс- порт». Рустам Газинурович Нутфуллин, инженер по ремонту, «Газпром Трансгаз Югорск». Никита Дмитриевич Цыганенко, машинист ТК, «Газпром Трансгаз Сургут». Леонид Павлович Шелудько (к.т.н., доц.), доцент кафедры «Управление и системный анализ в теплоэнергетике». определять его прочностные и режимные характеристики и сопоставлять получа- емые данные с эксплуатационными замерами. На магистральных газопроводах более 80 % газоперекачивающих агрегатов (ГПА) имеют газотурбинный привод центробежных нагнетателей природного газа. Данные ГПА оборудуются возду- хозаборной камерой (ВЗК) с комплексными воздухоочистительными устрой- ствами. Перед подачей на вход осевого компрессора газотурбинного привода атмосферный воздух необходимо очистить от пыли для предохранения проточ- ной части двигателя от механического износа (эрозии), образования отложений и, как следствие, снижения ресурса лопаток осевого компрессора, ухудшения характеристик (КПД, мощности) компрессора и газотурбинной установки (ГТУ) в целом. Воздухозаборные устройства должны обеспечить подачу необходимого ко- личества очищенного воздуха с минимальными потерями давления, исключить попадание в тракт двигателя атмосферных осадков, обеспечить шумоизоляцию (для глушения шума, возникающего от работы осевого компрессора), и иметь байпасный клапан в случае увеличения разряжения при обмерзании фильтров или их засорении [1]. Современные комплексные воздухоочистительные устройства оборудуют двухступенчатой системой очистки [2]. В качестве пер- вой ступени устанавливаются фильтры с элементами циклонно-инерционного типа, а в качестве второй ступени - фильтры, изготовленные из специальной ткани, что позволяет добиться большой степени очистки, простоты эксплуата- ции и стабильности их параметров в процессе работы. Воздухозаборное устрой- ство оборудуется еще системой подогрева всасывающего циклового воздуха, а также системой антиобледенения. На сегодняшний день ГПА типа ГТК-10-4 эксплуатируются воздухозабор- ные камеры (ВЗК), в которых не предусмотрены фильтрующие элементы для тонкой очистки циклового воздуха. Это влечет повышенное загрязнение проточ- ной части осевого компрессора и снижение КПД ГТУ. Следовательно, возникает задача разработки воздухозаборной камеры с установленными фильтрами тонкой очистки, с противообледенительной системой (ПОС) и с сохранением конструк- ции подвода подогретого воздуха из помещения аппаратов воздушного охлажде- ния (АВО) масла. Окна для подвода атмосферного воздуха расположены слева и справа ВЗК, режим работы изменятся при помощи жалюзи. После блока филь- трующих кассет предусмотрена установка штатных шумоглушителей. На первом этапе строится геометрическая модель ВЗК в системе автомати- зированного проектирования Компас-3D [3]. Воздухозаборная камера представ- ляет объект, сочетающий в себе твердые элементы заданной геометрической формы и набор поверхностей. Процесс построения 3D-модели основан на созда- нии элементарных геометрических примитивов, из которых собран каркас реаль- ной воздухозаборной камеры: уголки 75×75×7, 63×63×5 и 50×50×5, швеллер 10Э, лист стальной 1250×2500×3. Модель каркаса воздухозаборной камеры и далее модель самой ВЗК представлены на рис. 1 а, б. Созданная 3D-модель ВЗК содержит полное описание физических свойств реальной воздухозаборной камеры ГТК 10-4 (объем, масса, моменты инерции) и дает возможность работы в виртуальном 3D-пространстве. Построенная 3D- модель каркаса ВЗК рассчитана на прочность в библиотеке АРМ FЕМ системы автоматизированного проектирования Компас-3D. Для обшитого каркаса ВЗК проведено генерирование сеточной структуры с заданным размером элементов структуры и числом ячеек ≈ 1,2 млн. Граничным условием является давление разряжения на каждую стенку ВЗК, которое эмитирует режим разряжения в ВЗК при работе ГПА. По полученным результатам можно сделать вывод, что каркас ВЗК выдер- жит разряжение в 800 Па с минимальным коэффициентом по запасу текучести, равным 12,5. б а Рис. 1. 3D-модель каркаса (а) и воздухозаборной камеры (б) Для ВЗК основанием является укрытие маслоохладителей (АВО масла), по- этому необходимо провести расчет на прочность самого основания по аналогич- ному алгоритму. Построена геометрическая 3D-модель существующего основа- ния с расположенной на нем воздухозаборной камерой (рис. 2). К расчетной мо- дели основания была приложена эквивалентная нагрузка, соответствующая мас- се модернизированной ВЗК и равная 14 000 кг. На рис. 3 изображен каркас ВЗК по результатам прочностного расчета. При возросшей на основание нагрузке (в ВЗК установлены фильтрующие элементы) коэффициент запаса по текучести составил 8,68, но с учетом климатических факторов (дополнительной пиковой снеговой нагрузки) необходимо каркас основания усилить. В дальнейшем в программном комплексе Компас-3D можно будет коррек- тировать геометрию основания и ВЗК, компоновку в нем оборудования путем добавления (удаления) элементов либо изменения характерных параметров бло- ков. По рекомендациям авторов [4, 5, 6] для технических характеристик газопе- рекачивающего агрегата ГТК 10-4 был проведен гидравлический расчет воздухо- заборной камеры для определения числа стандартных фильтрующих элементов ФГ 3(4)052 592×592×48 ГОСТ Р 51251-99. По рекомендациям [4, 6] c учетом площади, через которую производится за- бор воздуха, и массового расхода воздуха через двигатель определена площадь сечения фильтрующего элемента и требуемое число фильтрующих кассет, кото- рое составило 89,2 штуки. Для достижения оптимальной удельной нагрузки и массового расхода через фильтр число фильтрующих кассет принято равным 100 шт. На рис. 4 изображена компоновка фильтрующих кассет в ВЗК. Фильтру- ющие кассеты расположены в 20 рядов (5 штук в ряду по высоте) с углом уста- новки между рядами 60º. Рис. 2. Геометрическая модель ВЗК и основания (помещение АВО масла) Рис. 3. Относительная деформация каркаса основания Рис. 4. Компоновка элементов ВЗК При эксплуатации ГПА на фильтрующих элементах необходимо контроли- ровать перепад давления и при увеличении его выше установленной нормы про- водить очистку фильтров. На следующем этапе возникла задача определения со- противления модернизированной ВЗК путем моделирования течения воздуха в камере методом вычислительной газодинамики. Для проведения расчета в CAD-пакете SolidWorks была построена трехмерная твердотельная модель ВЗК [7]. Геометрическая модель импортирована в расчетный САЕ-пакет STAR- CCM+, который позволяет выполнить газодинамический расчет турбулентных течений. В газодинамическом расчете решаются уже заданные в математическом аппарате CAD-пакета SolidWorks STAR-CCM+ уравнения неразрывности V  Vy  V  и уравнения движения: x  x y  z  0 z    P   Vx    Vx    Vx  VxVx  VxVy  VxVz          x y z x x x   y  y   z  z      P    Vy      Vy      Vy       VxVу  VуVy  VуVz     x y z y x    x y     y z z     P    Vz      Vz      Vz  VxVz  VуVz  VzVz          x y z z x x   y  y   z  z        где Vх , Vy , Vz - проекции скорости потока, м/с; P - давление воздуха, Па; ρ - плотность воздуха кг/ м3, μ - кинематическая вязкость воздуха, м2/с. Рис. 5. Изменение скоростей потока ВЗК: - - - скорость на входе в ВЗК; ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ скорость потока на выходе Для решения систем уравнений были выделены области для наложения гра- ничных условий и сгенерирована расчетная сетка. Граничные условия задавались с учетом сопротивления фильтров. С целью уменьшения вычислительных ресур- сов была взята половина расчетной модели, т. к. корпус ВЗК симметричен. Рас- чет с помощью САЕ-пакета проводился без учета влияния температуры окружа- ющего воздуха. Была произведена серия расчетов с различным заданием перепа- да давления на фильтрах (имитация степени загрязнения фильтров) и определены скорости потока на входе в ВЗК и на ее выходе. Результаты расчетов представ- лены на графике (рис. 5). По результатам расчета скорость на входе ВЗК для заданного перепада дав- лений на фильтрах составила 3,04 м/с. Скорость потока за фильтрами во всем объеме ВЗК составляет не более 12,6 м/с и при увеличении перепада давлений на фильтрах изменяется незначительно, менее 0,5 м/с. На рис. 6 приведены резуль- таты распределения в корпусе ВВЗК векторов скоростей потока. Распределение векторов скоростей, м/с 0,0 4,0 8,0 12,0 Δp=80 Пa Δp=460 Пa Рис. 6. Распределение векторов скоростей По полученным полям скоростей видно, что в камере имеются пристеночные зоны застоя и небольшие зоны турбулизации потока. На выходе из ВЗК (вход в тракт осевого компрессора) поток выравнивается, что очень важно для форми- рования в дальнейшем осевой и радиальной равномерности потока на входе в компрессор ГТД. Распределение давления в зависимости от перепада на филь- трах (моделирование эксплуатационных факторов) равномерно по всему объему ВЗК. На основании эксплуатационных данных у существующих воздухозабор- ных устройств ГТК-10-4 КЦ-2 Ужгородской компрессорной станции величина гидравлического сопротивления (разряжение во входном сечении компрессора) имеет среднее значение Δpξ≈100 мм вод. ст. (номинальное значение на основании [1] ΔРξ ≈ 50 мм вод. ст.), а гидравлическое сопротивление модернизированной ВЗК при загрязненных фильтрующих элементах не превышает установленных нормативов. Характер распределения полей скоростей и давления в установлен- ных фильтрах свидетельствует о том, что они не имеют зон застоя и не являются источниками турбулентности потока. В зимний период (октябрь - май) работы ГПА для предотвращения обледе- нения фильтров и проточной части осевого компрессора предусмотрена установ- ка противообледенительной системы (ПОС). Планируемая компоновка ПОС в разрезе представлена на рис. 7, а. Спроектированный коллектор ПОС с диамет- ром D = 100 мм (рис. 7, б) для подогрева воздуха присоединяется к имеющимся отводам от трубопроводов циклового воздуха после регенератора. а б Рис. 7. Геометрическая 3D-модель коллектора ПОС Противообледенительная система будет подключена к уже имеющейся си- стеме обогрева циклового воздуха посредством трубопровода с диаметром D = 100 мм и регулирующей арматуры. На коллекторе устанавливаются отсека- ющая задвижка и регулирующий клапан. Отобранный горячий воздух в коллек- торе с диаметром D = 200 мм делится на два потока с диаметром D = 250 мм (рис. 7, б) и далее выдувается через 200 отверстий диаметром D = 7 мм, располо- женных на 10 вертикальных трубах перед фильтрующими кассетами. Для управ- ления расходом рабочего тела используется регулирующий односедельный кла- пан (модель 25нж947нж) с электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ). Управление противообледенительной системой производится с помощью датчи- ков влажности, температуры окружающего воздуха и температуры на входе осе- вого компрессора. Сигналы от датчиков поступают на преобразователь и далее на штатную систему автоматического управления (САУ) ГПА. САУ сравнивает полученные значения со значениями, включенными в алгоритм управления ПОС компрессора, и при необходимости дает сигнал на изменение положения регули- рующего клапана подачи теплого воздуха. ПОС включается в работу при температуре наружного воздуха tх = 0 °С. Рас- ход горячего воздуха через одно отверстие составляет 0,005 кг/с (100 отв. на кол- лектор выдува), температура воздуха после регенератора 400 °С (по эксплуата- ционным данным). Требуемая температура нагрева воздуха в ВЗК tн.тр = 5-7 °С достаточна для предотвращения образования льда. Максимальный расход возду- ха Gmax на обогрев через трубопровод при полностью открытом регулирующем клапане (РК) определен по зависимости, рекомендуемой авторами [8, 9] с учетом данных [10, 11, 12], и составил 3,8 кг кг/с. G  с  S  P   kM    k 1 2  k 1 мах   ZRT   k 1     где S - площадь сечения, м2; P - давление горячего воздуха, Па; R - универсальная газовая постоянная, Дж/кгК; С - расходный коэффициент РК; z - коэффициент сжимаемости; M - молярная масса воздуха, кг/кмоль; k - показатель адиабаты воздуха. Температура нагрева воздуха в ВЗК рассчитывалась по уравнению теплового баланса [13, 14] GгвсргвгвТгв  GхсрххТ х  GнсрннТн. расч и при минимальной температуре воздуха на входе в компрессор tх = 0 °С соста- вила tн.расч = 7,8 °С. Следовательно, диаметры трубопроводов ПОС и количество горячего воздуха обеспечивают температуру в ВЗК более 5 °С. Потери мощности ГПА при работе ПОС на данном режиме составляют не более 1,2 %. Это не явля- ется существенным, так как при снижении температуры окружающего воздуха мощность ГТУ пропорционально увеличивается [15]. Полученные данные для ПОС могут быть использованы для проведения термогазодинамического расчета с помощью соответствующего программного комплекса с целью оптимизации размещения отверстий выдува горячего воздуха на коллекторе ПОС. Проведенный газодинамический расчет воздухозаборной камеры методами вычислительной газовой динамики, основанный на численном решении системы уравнений Навье - Стокса и фундаментальных законах сохранения энергии, с минимальными допущениями дает результаты, близкие к эксплуатационным. Оптимизация конструкции воздухозаборной камеры с использованием про- граммных пакетов для прочностных расчетов ВЗК и противообледенительной системы позволила без построения натурного объекта провести модернизацию существующего неэффективного воздухозаборного устройства. Для повышения надежности и эффективности технологических процессов компрессорных стан- ций магистральных газопроводов возможно использовать разработанную мето- дику моделирования воздухозаборных устройств и для других газоперекачива- ющих агрегатов с целью получения исчерпывающей информации обо всех пара- метрах во всех точках рассматриваемого объема ВЗК.

About the authors

Vladimer K Tyan

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Ramil Y Abushaev

Samara State Technical University

Graduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Tatyana E Arteeva

Transneft Siberia-Surgutneftegas trunk oil pipelines

chemical lab assistant 14, Grigory Kukuyevitskogo st., Surgut 628404, Russian Federation

Svetlana A Gulina

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Rustam G Nutfullin

Gazprom Transgaz Yugorsk -Komsomolskii LPUMG

repair engineer 15, Myra st., Yogorsk, 628260, Russian Federation

Nikita D Tsyganenko

Gazprom Transgaz Surgut

TK engine operator 51, Industriialnaya st., Surgut, Surgutsky LPUMG, 628422, Russian Federation

Leonid P Sheludko

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files