На правах рукописи

СУЛЕЙМАНОВ АЗАТ МАРАТОВИЧ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА ГАЗА Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2005 2

Работа выполнена на кафедре Промышленная теплоэнергетика Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Байков Игорь Равильевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Коршак Алексей Анатольевич;

кандидат технических наук Китаев Сергей Владимирович.

Ведущая организация Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан при Кабинете Министров Республики Татарстан.

Защита состоится л 29 апреля 2005 года в 11-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул.Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан л 29 марта 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Матвеев Ю.Г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы 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 суток.

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

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 линейно-производственном управлении магистральных газопроводов ОАО Газпром.

- 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 Промышленная теплоэнергетика.

Апробация работы Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

- 49-й 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 рекомендаций; содержит 162 страницы машинописного текста, в том числе 29 таблиц, 34 рисунка и одно приложение, библиографический список использованной литературы из 160 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, научная новизна и практическая ценность результатов проведенных исследований.

Первая глава диссертации посвящена исследованию основных методов контроля технического состояния газоперекачивающих агрегатов, существующих методов очистки проточной части осевых компрессоров и методов оптимизации режимов работы компрессорных станций, являющихся наиболее традиционными в магистральном транспорте газа.

В первом разделе рассмотрены основные методы контроля технического состояния газоперекачивающих агрегатов и степени загрязнения проточной части осевых компрессоров. Разработке методов и средств оценки технического состояния ГПА посвящены работы Байкова И.Р., Баркова А.В., Будзуляка Б.В., Бесклетного М.Е., Гольянова А.И., Зарицкого С.П., Игуменцева Е.А., Ильина В.А., Калинина М.А., Костаревой С.Н., Комардинкина В.П., Крейна А.З., Китаева С.В., Лопатина А.С., Микаэляна Э.А., Поршакова Б.П., Районова Б.М., Седых А.Д., Смородова Е.А., Смородовой О.В., Тихонова А.Д., Тухбатуллина Ф.Г., Усошина Ю.С. и других авторов. На основании изложенных методов оценки технического состояния ГПА сделан вывод о том, что наиболее удобным и широко используемым является метод контроля по газодинамическим характеристикам.

Среди рассмотренных методов оценки технического состояния проточной части осевого компрессора газотурбинной установки, изложенных в работах Поршакова Б.П., Микаэляна Э.А., Щуровского В.А., Китаева С.В., Зарицкого С.П., Гофлина А.П., Иванова В.Д., Гольдберга Ф.И.

Малаховского Е.И., Дедивока Е.В., Клишина Г.С., Селезнева В.Е., Чучко В.Ф., Перехрухина С.С., наиболее стабильным признаком диагностирования состояния поточных машин ГПА является политропный КПД турбомашин.

Во втором разделе рассмотрены существующие методы очистки проточной части осевых компрессоров газотурбинных установок. Наиболее часто используемым видом являются очистка ГТУ на ходу твердыми абразивными частицами и на остановленном агрегате моющими растворами. Рядом авторов: Алексеенко Н.Н., Ещенко А.И., Прокофьевой С.Н., Щуровским В.А., Зарицким С.П., Синицыным Ю.Н. - проведены систематические физико-химические исследования образцов отложений на лопатках компрессоров и продуктов взаимодействия отложений с различными химическими веществами, перспективными с точки зрения использования их для разработки моющих составов. Однако широкий диапазон предлагаемых моющих растворов не подтверждается эффективностью очистки при использовании их в промышленных условиях.

В третьем разделе рассмотрены общие подходы к решению оптимизационной схемы работы газоперекачивающих агрегатов на компрессорной станции. Общая задача по оптимизации параметров технологического процесса транспорта газа может быть разделена на две части:

1) оптимальное распределение степеней сжатия между отдельными КС, что равносильно оптимальному распределению значения давления на приеме и выкиде каждой КС, обеспечивающих реализацию условия минимума себестоимости транспорта газа;

2) определение рациональных параметров режима работы отдельных газоперекачивающих агрегатов каждой КС, обеспечивающих соответствующую ей оптимальную степень сжатия, что равносильно минимизации энергетических затрат, соответствующих оптимальной степени повышения давления на данной КС.

Для оптимизации работы газотранспортного оборудования широко применяются аналитические и статистические модели. Аналитические модели подробно рассмотрены в работах Зарицкого С.П., Поршакова Б.П., Дубинского В.Г., Чарного Ю.С., Седых А.Д., Темпеля Ф.Г., Маслова В.М. и других авторов.

Статистические модели по сравнению с аналитическими позволяют учесть большее число факторов. Разработке подобных моделей в трубопроводном транспорте нефти и газа посвящены работы Мирзаджанзаде А.Х., Байкова И.Р., Шаммазова А.М., Гумерова А.Г., Галлямова А.К., Смородова Е.А., Гольянова А.И., Смородовой О.В., Зарицкого С.П. и многих других. В частности, в работе Байкова И.Р.

показано, что для изучения кооперативных эффектов, имеющих место при взаимодействии отдельных технических элементов, целесообразно использовать представления робастных методов статистики и теории самоорганизации, отражающих наиболее общие свойства поведения сложных систем.

Проведенный анализ методов оптимизации режимов работы компрессорных станций позволил сделать вывод о том, что существующие методы не имеют обоснованного подхода к выбору частоты вращения ротора ГПА.

Во второй главе рассматривается возможность повышения энергетической эффективности работы элементов газоперекачивающих агрегатов.

В первом разделе проведен поэлементный анализ технического состояния газоперекачивающего агрегата эксергетическим методом.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что наибольшие потери эксергии наблюдаются в камере сгорания и в регенераторе вследствие необратимости теплообмена между нагреваемым воздухом и рабочим телом.

В межремонтный период наибольшие потери эксергии наблюдаются в осевом компрессоре, газовой турбине и камере сгорания ГТУ. Снизить потери эксергии в камере сгорания практически невозможно без изменения конструкции и используемых материалов. Потери эксергии в турбине связаны, в основном, с аэродинамикой проточной части, обусловленной качеством изготовления. Единственным элементом, где возможно уменьшение потерь эксергии при эксплуатации ГПА, является осевой компрессор.

Во втором разделе установлено, что проведение периодической очистки проточной части ОК позволяет повысить КПД газотурбинной установки.

Эти выводы также подтверждаются в работах Щуровского В.А., Зарицкого С.П., Поршакова Б.П., Микаэляна Э.А., Истомина В.И., Огородника А.В., Акимова Л.М., Матвиенко А.Ф., Сидоренко В.В., Алексеенко Н.Н., Ещенко А.И., Прокофьева С.Н., Малаховского Е.И., Горелова В.И., Ральникова Ю.М. и др. Проведение очистки твердыми частицами приводит к засорению горелок в камере сгорания, образованию на лопатках компрессоров микроцарапин. Использование жидких моющих растворов предпочтительней по сравнению с твердыми абразивами (они лишены вышеперечисленных недостатков). Однако существующие жидкости, используемые в настоящее время в промышленности (М1, М2, Синвал), имеют высокую стоимость и небезопасны в использовании.

Поэтому была поставлена задача - создать моющий раствор, способный проводить высокоэффективную очистку лопаток как в статических, так и в динамических условиях, иметь низкую стоимость и быть безопасным как для окружающей среды, так и для обслуживающего персонала.

Третий раздел второй главы посвящен изучению состава отложений, образующихся на лопатках осевых компрессоров. Анализ результатов показал, что отложения, обладающие высокой адгезией, состоят из трех фракций:

первая - нерастворимая в ацетоне (порядка 70%);

вторая - растворимая в ацетоне, но не растворимая в гексане (порядка 25%);

третья - растворимая и в ацетоне, и в гексане (порядка 5%).