Сумський державний університет

Бухолдін Юрій Сергійович

УДК 622.691

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ РОБОТИ КОМПРЕСОРНИХ УСТАНОВОК

З БАГАТОКОРПУСНИМ ВІДЦЕНТРОВИМ КОМПРЕСОРОМ

І ГАЗОТУРБІННИМ ПРИВОДОМ ДЛЯ НАФТОВОЇ

ПРОМИСЛОВОСТІ

05.05.15- Вакуумна і компресорна техніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Суми - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в ВАТ “Сумське машинобудівне НВО ім. М.В. Фрунзе”.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Ванєєв Сергій Михайлович, кафедра холодильних і компресорних машин, інженерний факультет, Сумський державний університет Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Бойко Людмила Георгіївна, завідуюча кафедрою газотурбінних двигунів та установок, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Єршов Сергій Володимирович, провідний науковий співробітник, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України

Провідна установа - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “26” червня 2001 р. о 15 годині 00 хв.

на засіданні спеціалізованої вченої ради К55. 051.03 при Сумському державному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, (корп. ЛА, ауд. 215).

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Сумського державного університету (40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2).

Автореферат розісланий “23” травня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савченко Є.M.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток і прискорене освоєння інтенсивних способів видобутку нафти, утилізації і переробки побіжного нафтового газу має дуже велике значення для України, оскільки наявні енергетичні ресурси країни обмежені, а імпортовані енергоресурси дорогі. Для вирішення проблеми необхідне створення високопродуктивних компресорних станцій (КС) і компресорних установок (КУ) з газотурбінним приводом (ГТП) у блочно-контейнерному виконанні з високим ступенем автоматизації і заводської готовності при низьких капітальних витратах на їхнє спорудження.

Відмінними рисами КУ для нафтової промисловості (НП) є: високі співвідношення тиску, що робить необхідним розбивку компресорної установки на секції, корпуси і агрегати та введення проміжного охолодження газу; зміна в широкому діапазоні експлуатаційних параметрів (тиску, температури і молярної маси газу (від 17 до 29 кг/кмоль і більше) і параметрів навколишнього середовища); наявність залежності хімічного складу газу на вході в секцію або корпус від фазових перетворень і відборів або підведень в технологічному контурі КУ; використання ГТП із регульованою частотою обертання силової турбіни, що потребує узгодження режимів роботи двигуна і компресора.

Методи проектування складних енерготехнологічних систем, що застосовуються в хімічній промисловості, не можуть бути цілком використані при проектуванні КУ НП, тому що вони засновані на розрахунку матеріально-теплового балансу тільки для розрахункового режиму роботи, згідно з яким підбирається технологічне устаткування, і не дозволяють одержувати характеристики технологічного обладнання при зміні умов експлуатації. Застосування ГТП ще більше ускладнює задачу у зв'язку з необхідністю оптимального вибору розрахункових значень максимальної потужності двигуна, частоти обертання силової турбіни, витрат паливного газу.

Тому проблема комплексного вирішення питань створення КС і КУ для нафтової промисловості з обов'язковим дослідженням на стадії проектування режимів роботи створюваних КУ з багатокорпусним відцентровим компресором (ВК) і ГТП у всьому діапазоні зміни експлуатаційних параметрів є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи пов'язана з дослідженнями і розробками, проведеними відповідно до Постанови Уряду від 20.08.1985 р. , № 797 “Про комплексний розвиток нафтової і газової промисловості в Західному Сибіру у 1986 - 1990 р.” і Національної програми “Нафта і газ України до 2010 р.”. У подальшому періоді робота виконувалася відповідно до планів НДР і ДКР, планів створення нової техніки ВАТ “Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе”.

Мета і задачі дослідження. Основною метою проведення досліджень є розробка методу розрахунку основних параметрів і характеристик устаткування компресорних установок з газотурбінним приводом для всього діапазону змін режимів роботи.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались наступні задачі:

- обґрунтувати необхідність досліджень на стадії проектування устаткування КУ НП режимів їх роботи у широкому діапазоні змін основних умов експлуатації (тиску і температури газу на вході і виході, молярної маси газу, витрат газу в різних точках технологічного контуру, параметрів навколишнього середовища); визначити основні напрямки і тематику досліджень;

- розробити математичну модель КУ з багатокорпусним ВК і ГТП з обліком відбору газу уздовж технологічного контуру;

- розробити методику визначення проектних параметрів ВК для КУ, для широкого діапазону змін умов експлуатації;

- реалізувати математичну модель у формі програмно-обчислювального комплексу, що дозволить досліджувати режими роботи компресорного та іншого технологічного устаткування КУ і КС у широкому діапазоні змін умов експлуатації;

- при використанні програмно-обчислювального комплексу виконати розрахунково-аналітичні дослідження режимів роботи і видати практичні рекомендації для проектування і доводки устаткування КУ газліфта нафти і транспорту нафтового газу, які експлуатуються в Україні, Росії і Туркменістані.

Досягнення поставленої мети і вирішення сформульованих задач дозволить розробити нову методику проектування компресорних установок з багатокорпусним ВК і ГТП, призначених для роботи в нафтовій промисловості в широкому діапазоні змін експлуатаційних параметрів.

Методи дослідження. При виконанні роботи застосовувалися теоретичні (системний аналіз, декомпозиційний метод - при розробці математичної моделі КУ, розрахунково-аналітичні - при проведенні обчислювального експерименту по дослідженню режимів роботи КУ) і експериментальні методи дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено метод розрахунку основних параметрів і характеристик устаткування КУ для роботи в широкому діапазоні змін експлуатаційних параметрів. Запропоновано методику визначення проектних параметрів ВК для КУ нП, що працюють у широкому діапазоні змін умов експлуатації.

Розроблено математичну модель КУ з багатокорпусним ВК і ГТП. Математична модель реалізована у вигляді програмно-обчислювального комплексу САРТУ-КС (система автоматизованих розрахунків технологічних установок компресорних станцій), у який входять програмні засоби для розрахунку і моделювання процесів стиснення і охолодження газу, фазових перетворень у газі.

У результаті виконаних досліджень стало можливим проведення обчислювального експерименту і одержання інформації про роботу всього обладнання в складі установки без створення на стадії розробки конструкторської документації дорогих у фінансовому відношенні експериментальних стендів.

Вірогідність результатів, одержаних в процесі наукових досліджень, підтверджується даними натурних випробувань, проведених в процесі доводки КУ в складі дослідно-промислової КС.

Практичне значення отриманих результатів. Практичним результатом дисертаційної роботи стала нова методика проектування КУ з багатокорпусним ВК і ГТП для широкого діапазону змін експлуатаційних параметрів, таких, як молярна маса газу, температура і тиск газу та ін.. Відповідно до цієї методики, на основі методу розрахунку основних параметрів устаткування і математичної моделі, розроблені компресорні установки для Анастасіївського родовища нафти АТ “УкрНАФТА”, для родовища “Барса-Гельмес” (Туркменістан) та ін., а також проведений аналіз режимів роботи і видані практичні рекомендації для ряду КУ, що експлуатуються у складі станцій газліфта нафти і транспорту побіжного нафтового газу в Західному Сибіру.

Реалізація результатів роботи підтверджена актами впровадження.

Особистий внесок здобувача полягає у створенні методики визначення розрахункових параметрів ВК для КУ, працюючих у широкому діапазоні змін умов експлуатації [3, 12] (див. список публікацій); у постановці задачі на розробку математичної моделі КУ з багатокорпусним ВК і ГТП [1, 2, 8, 10, 13]; у створенні методу розрахунку основних параметрів устаткування КУ [1, 2 , 11, 16]; у розробці методики проектування КУ з багатокорпусним ВК і ГТП для НП [4, 5,1 5]; у здійсненні керівництва і особистій участі в розробці технологічної частини проекту КУ для Анастасіївського родовища нафти АТ “УкрНАФТА”, а також у виконанні аналізу режимів роботи і видачі практичних рекомендацій по ряду КУ, які працюють у складі станцій газліфту нафти і транспорту побіжного нафтового газу в Західному Сибіру [6, 7, 9, 14].

Дві публікації підготовлені здобувачем без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Апробація результатів дисертації проводилася на засіданнях кафедри холодильних і компресорних машин Сумського державного університету і науково-технічної ради ВАТ “Сумське НВО ім. М.В.Фрунзе”. Основні положення і висновки доповідалися і обговорювалися на всеукраїнських і міжнародних конференціях і симпозіумах: 5-й Всесоюзній науково-технічній конференції “Роль молодых конструкторов и исследователей химического машиностроения в реализации комплексных программ, направленных на ускорение научно-технического прогресса в отрасли” (м. Северодонецьк, 1986 р.); 8-й Всесоюзній і 9-й Міжнародній науково-технічних конференціях по компресоробудуванню (м. Суми, 1989 р. ; м. Казань, 1993 р.); 3, 4 і 5-й Українських науково-технічних конференціях “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 1998 р. ; м. Суми, 1999 р. ; м. Київ, 2000 р.); Першому і Третьому Міжнародних симпозіумах “Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования” (м. Санкт-Петербург, 1994 р. ; 1997 р.); науково-практичній конференції “Нафта і газ України” (м. Харків, 1996 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 16 друкованих робіт, із котрих 6 - у збірниках наукових праць і журналах, що входять у перелік спеціальних видань, затверджених ВАК України, 1 - в науково-технічному журналі асоціації компресорщиків і пневматиків Росії, 9 - у матеріалах і тезах доповідей всеукраїнських і міжнародних конференцій і симпозіумів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація містить у собі вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел, що нараховує 164 найменування. Загальний обсяг дисертації 258 сторінок, у тому числі 155 сторінок основного тексту, 28 таблиць, 66 ілюстрацій.

ОСНОВНий ЗМіСТ РОБОТИ

Вступ дисертаційної роботи містить наступні положення: актуальність теми; мета і задачі дослідження; наукова новизна отриманих результатів; практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача. Приведена інформація про апробацію результатів роботи, публікації, структуру і обсяг дисертації.

У першому розділі розглядаються: стан і тенденції розвитку компресорного обладнання для НП; основні характеристики блочно-комплектних КУ з ВК і ГТП авіаційного типу; існуючі методи проектування і дослідження режимів роботи КС і КУ; проблеми вибору методу розрахунку теплофізичних властивостей багатокомпонентних вуглеводневих сумішей; мета і задачі досліджень.

Аналіз характеристик компресорного обладнання, застосовуваного в НП, показав, що в його розвитку намітилася тенденція збільшення одиничної потужності КУ і використання в їхньому складі ВК з ГТП.

Методи проектування раніше створених компресорних станцій і установок грунтувалися на досвіді розробки технологічних ліній для хімічних виробництв із жорстко заданими параметрами процесу. У ході промислової експлуатації цих КС були виявлені негативні особливості їхньої роботи, обумовлені неминучими змінами параметрів технологічного процесу (хімічного складу газу, його тиску і температури, продуктивності і т.п.) і навколишнього середовища (температури і тиску атмосферного повітря).

Вилучення вказаних проблем в роботі КУ можливе за умови дослідження всього діапазону очікуваних режимів роботи на стадії проектування. Єдиним можливим інструментом для вирішення проблеми з урахуванням складності і масштабності об'єкта, а також високої вартості натурного експерименту, є метод системного аналізу, що включає: сам системний аналіз, розробку математичної моделі, створення програмно-обчислювального комплексу і розрахунково-теоретичний аналіз.

На основі аналізу КУ, як складної енерготехнологічної системи, і відомих методів моделювання обґрунтована необхідність створення математичної моделі установки з застосуванням декомпозиційного підходу.

Критичний огляд існуючих методів розрахунку теплофізичних властивостей багатокомпонентних вуглеводневих сумішей дозволив відібрати для використання при дослідженнях КУ НП ряд модифікацій рівняння Ван-дер-Ваальса і рівняння стану Бенедікта-Вебба-Рубіна з поправками Орея.

На основі результатів огляду літератури сформульовані висновки про актуальність теми досліджень, визначена мета роботи і поставлені задачі дослідження.

В другому розділі розглянуті особливості робочих середовищ і процесів КУ НП, технологічні і структурні схеми установок, основні питання математичного моделювання КУ, постановка задачі моделювання, розробка математичної моделі і програмно-обчіслювального комплексу для проектування і розрахунково-теоретичних досліджень КУ НП.

Проведений аналіз робочих середовищ КУ НП показав, що їх хімічний склад і агрегатний стан окремих компонентів може змінюватись у широких межах в залежності від родовища і режимів експлуатації і істотно впливати як на роботу установок, так і на вибір обладнання, що входить до їх складу.

З урахуванням специфіки робочих середовищ, технологічних і структурних схем діючого устаткування розроблена типова структурна схема КУ НП (рис. 1).

Для побудови математичної моделі КУ НП використаний евристико-еволюційний декомпозиційний підхід. Основними припущеннями, прийнятими при постановці задачі моделювання КУ, є:

- робочий процес установки, заданий як сукупність технологічних процесів на всіх ступенях стиснення і вважається сталим;

· теплофізичні процеси, що відбуваються в сепараторах тонкого очищення, не враховуються;

· наявність мультиплікатора при розрахунку газодинамічних характеристик ВК враховується введенням у розрахунок розміру передаточного відношення. Використання цих припущень дозволило істотно скоротити розмірність розв'язуваної задачі.

В основу розробленої математичної моделі КУ НП покладені розрахункові і експериментальні залежності, отримані СКБ турбокомпресорних машин ВАТ“Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе” й іншими організаціями, що спеціалізуються в області ВК, теплообмінного і масообмінного обладнання і у суміжних областях.

У загальному вигляді математична модель КУ являє собою систему модельних модулів, що відображають окремі елементи (процеси) технологічної схеми. Система описується векторним рівнянням виду:

, (1)

де - відповідно, вектори вхідних, вихідних і керуючих перемінних у

-му модулі. У свою чергу, ; .

Взаємодія окремих модулів системи (1) визначається рівнянням зв'язку

,

який означає, що -а вхідна перемінна -го модуля є одночасно -ю вихідною перемінною -го блоку, тобто показує порядок з'єднання окремих елементів і процесів у технологічній схемі і забезпечує передачу параметрів потоку між ними. Таким чином, рішення задачі моделювання дискретних статичних режимів роботи КУ звелося до розробки математичних моделей окремих технологічних процесів і наступного їх об'єднання в єдиний комплекс за допомогою рівняння зв'язку.

Блок-схема математичної моделі типової КУ НП подана на рис. 2.

Для реалізації математичної моделі КУ НП створено програмний комплекс, до складу якого входять: керуюча програма; комплекс програм розрахунку теплофізичних властивостей газових сумішей; банк фізико-хімічних властивостей індивідуальних компонентів; бібліотека моделюючих модулів.

Алгоритм розрахунку процесу стиснення газу в ВК без проміжного охолодження газу створений на базі відомих залежностей теорії турбомашин і використовується при одержанні газодинамічних характеристик компресора. У результаті розрахунку процесу стиснення газу в ВК,

Рис. 2. Блок-схема математичної моделі КУ НП

у відповідності до запропонованого алгоритму, одержують газодинамічні характеристики компресора для заданого діапазону умов його роботи.

Для ГТП КУ потрібна подача паливного газу з тиском 2,4 - 4,5МПа. Переважно здійснюють відбір паливного газу на виході з корпуса (секції) ВК з тиском газу, близьким до необхідного. У цьому випадку, алгоритм розрахунку процесу стиснення необхідно доповнити залежностями, що дозволяють визначити необхідну витрату паливного газу. Початкове значення цієї витрати задається

, (2)

де - масова витрата технологічного газу через ВК, кг/с.

Потім за допомогою алгоритму розрахунку процесу стиснення визначають характеристики ВК і, в першу чергу, значення приведеної потужності компресора . По хімічному складі паливного газу знаходять його теплотворну спроможність , Дж/кг.

Залежність для розрахунку масової витрати має вигляд

, (3)

де - масова витрата паливного газу з нижчою теплотворною спроможністю = 43325 Дж/кг на номінальному режимі ГТП;

- коефіцієнт, що характеризує залежність потужності двигуна від температури атмосферного повітря;

- відповідно, приведені температура і тиск атмосферного повітря.

Для другого наближення приймають . Розрахунок витрати паливного газу з використанням залежностей (2) і (3) виконується в ітеративному циклі до досягнення нерівності .

Алгоритми розрахунку характеристик інших структурних елементів, що входять до складу КУ НП, розроблені на основі відомих методик організацій, що спеціалізуються з питань переробки газу і хімічних технологій. Усі методики і алгоритми були піддані доробці для використання в складі математичної моделі КУ, пройшли апробацію і пристосовані до спільної роботи в єдиному програмно-обчислювальному комплексі.

Таким чином, була розроблена математична модель КУ НП і програмно-обчислювальний комплекс для її реалізації.

У третьому розділі розглянуті: методика визначення проектних параметрів ВК; аналіз особливостей роботи ГТП і системи охолодження газу в складі КУ; результати розрахунково-теоретичних досліджень режимів роботи КУ газліфту нафти потужністю 16 МВт.

Розроблено слідуючу методику визначення проектних параметрів відцентрового компресора КУ НП:

· визначається питома політропна робота стиснення компресора з найменшою молярною масою :

, (4)

де z – число секцій компресора;

,

де - відповідно, політропний і механічний ККД КУ;

,

де - густина газу з молярною масою , кг/м3;

· при допущенні про незмінність коефіцієнта напору ступенів компресора при , визначається співвідношення частот обертання ротора ВК при стисненні газу з і

;

; (5)

- шуканий розмір потужності, споживаної ВК при стиснення газу з

. (6)

Після визначення і по залежностях (5) і (6) з урахуванням інших вихідних даних здійснюється проектування проточних частин корпусів (секцій) ВК з побудовою його проектних газодинамічних характеристик.

Виконано аналіз особливостей роботи газотурбінного приводу КУ НП у залежності від кліматичних характеристик КС і режимних параметрів ВК.

Розглянуто питання роботи системи охолодження газу КУ НП і зроблений висновок про доцільність обліку втрат у газоохолоджувачах на різних режимах у вигляді залежності величини гідравлічних втрат від масової витрати.

За допомогою запропонованої математичної моделі в якості її первинної апробації виконане дослідження режимів роботи КУ для газліфта нафти з приводом потужністю 16 МВт. Основою для розрахунків стали експериментальні характеристики ВК, отримані в період заводських і експлуатаційних випробувань. У результаті проведених досліджень установлені чисельні межі впливу на характеристики КУ зміни таких параметрів, як тиск і температура газу, недоохолодження газу після корпусу низького тиску, молярної маси газу (рис. 3), а також параметрів навколишнього середовища.

Розглянуті вище методики ввійшли, як складові частини, у метод розрахунку основних параметрів і характеристик устаткування КУ з багатокорпусним ВК і ГТП. Метод включає: визначення за допомогою розробленої методики проектних параметрів багатокорпусного компресора; аналіз особливостей ГТП авіаційного типу, охолоджувачів газу і сепараторів у складі КУ; розрахунок проточної частини ВК по відомих методиках; проведення обчислювального експерименту за допомогою програмно-обчислювального комплексу в широкому діапазоні зміни умов експлуатації; аналіз результатів обчислювального експерименту.

Дано рекомендації по доробці проточних частин компресорів КУ, поставлених ВАТ “Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе” в Західний Сибір і Туркменістан. Наступна експлуатація КУ підтвердила обґрунтованість цих рекомендацій.

Четвертий розділ містить: опис методичних основ проектування блочно-комплектних КУ для НП; опис конструкції і складу КС газліфта нафти з ГТП потужністю 6,3 МВт; розрахунковий аналіз режимів роботи КУ цієї КС за допомогою програмно-обчислювального комплексу; опис програми і методики експериментальних досліджень; аналіз результатів випробувань КУ газліфта нафти.

Суть процесу проектування блочно-комплектних КУ полягає у виконанні визначеної послідовності операцій. До основних з них відносяться: вибір структури і визначення складу основних елементів технологічної схеми; визначення проектних параметрів ЦК; розрахунок проточних частин і характеристик ЦК; проведення обчислювального експерименту по дослідженню режимів роботи КУ; добір серійного устаткування; розробка вихідних вимог на створення газових охолоджувачів, сепараторів і іншого устаткування ; упорядкування балансу теплоспоживання і т.п.. Завершальною операцією є розробка технічного завдання на проектування КУ.

Приведено опис конструкції, технологічної схеми і особливостей робочого процесу блочно-комплектної КС газліфта нафти на основі КУ з ГТП потужністю 6,3 МВт, що стала об'єктом впровадження рекомендацій і методик проектування, а також об'єктом для проведення розрахунково-теоретичного аналізу і експериментальних досліджень в умовах експлуатації для перевірки адекватності запропонованих моделей і методик.

Програма експериментальних досліджень включала механічні і газодинамічні випробування ВК на дослідно-промисловій установці, створеній на КС газліфта нафти. Для зняття характеристик секцій ВК додатково до штатних приладів установка була оснащена контрольно-вимірювальними приладами підвищеного класу точності. Розташування контрольних перетинів, методики і програма експерименту, критерії для оцінки ефективності відповідали нормам і правилам, прийнятим при дослідженні турбомашин.

Опрацювання результатів експериментальних досліджень здійснювалося за допомогою інформаційно-вимірювального комплексу на базі ПЭОМ. Виконано оцінку помилок вимірів і похибок опрацювання дослідних даних. Для секції низького тиску ВК КУ Анастасіївського родовища, наприклад, відносна середньоквадратична похибка визначення політропного ККД на номінальному режимі дорівнює 1,47%, коефіцієнта політропного напору – 1,1%.

У результаті проведення комплексу натурних випробувань отримано задовільний збіг експериментальних і розрахункових характеристик, використаних при проектуванні КУ. Відносне середньоквадратичне відхилення кінцевого тиску КУ, одержане в результаті експериментальних досліджень від розрахункової величини не перевищує 3,1% (рис. 4).

Шляхом порівняння розрахункової розмірної характеристики КУ з характеристиками, отриманими на основі експериментальних даних, підтверджені основні положення створеного методу розрахунку основних параметрів і характеристик компресорної установки для нафтової промисловості з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом.

ВИСНОВКИ

У дисертації приведені теоретичні узагальнення і нове рішення наукової задачі, що полягає в розробці методу розрахунку основних параметрів і характеристик устаткування компресорних установок з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом для нафтової промисловості у всьому діапазоні режимів роботи на основі використання математичної моделі установки і який може бути використаний для проектування, а також дослідження і удосконалення таких установок ще на стадії розробки конструкторської документації.

Головні наукові і практичні результати роботи полягають у тому, що:

1. Проведено аналіз технологічних і структурних схем компресорних установок, на основі якого розроблена типова структурна схема установки для стиснення нафтового газу. При використанні системного аналізу і декомпозиційного підходу створена математична модель компресорної установки з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом.

2. Розроблено алгоритми і програмні засоби для реалізації математичної моделі компресорної установки. Розроблено алгоритми розрахунку газодинамічних характеристик процесу стиснення у відцентровому компресорі та процесу стиснення з обліком відбору паливного газу для газотурбінного приводу.

3. Вперше розроблено програмно-обчислювальний комплекс, що дозволяє досліджувати режими роботи компресорних установок у широкому діапазоні змін експлуатаційних параметрів.

4. Вперше розроблено метод розрахунку основних параметрів і характеристик компресорних установок нафтової промисловості, що включає в себе: нову методику визначення проектних параметрів багатокорпусного відцентрового компресора, що забезпечує ефективну роботу в усьому діапазонів режимів експлуатації; аналіз особливостей роботи складових елементів установки; розрахунок проточної частини відцентрового компресора з використанням відомих залежностей; проведення обчислювального експерименту по дослідженню режимів роботи компресорних установок за допомогою програмно-обчислювального комплексу; аналіз результатів обчислювального експерименту з прийняттям рішень по складу обладнання, необхідності коригування характеристик відцентрового компресора, охолоджувачів газу і сепараторів. Застосування цього методу дало можливість ще на стадії проектування КУ провести дослідження режимів роботи і одержати такі значення газодинамічних та геометричних параметрів компресного, газоохолоджувального і сепараційного обладнання, які дозволили забезпечити ефективну роботу установки у всьому діапазоні змін умов експлуатації, а також виробити рекомендації для доводки діючих КУ.

5. Основним практичним результатом виконаної роботи стала нова методика проектування компресорних установок з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом для всього діапазону змін експлуатаційних параметрів. По цій методиці на основі вищевказаних методів розрахунку основних параметрів обладнання і математичної моделі розроблені компресорні установки для Анастасіївського родовища нафти АТ “УкрНАФТА”, для родовища “Барса-Гельмес” (Туркменістан) та інших.

6. Результати роботи використовуються у ВАТ“Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе” при проведенні НДР і ДКР, а також у створенні компресорних станцій і установок для нафтової і газової промисловості. Реалізація роботи підтверджена актами впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

ЗА ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

Основні результати дисертації опубліковані в 16 роботах. Збірники наукових праць і науково-технічні журнали:

1. Проектирование блочно-комплектных компрессорных установок с использованием комплекса САРТУ-КС / А.Б. Братков, Ю.С. Бухолдин, В. П. Парафейник, О.Г. Голубков // Химическое и нефтяное машиностроение.-1989.-№8.- С. 22-26.

2. Парафейник В.П., Бухолдин Ю.С, Братков А.Б. Программно-вычислительный комплекс САРТУ-КС для проектирования и исследования компрессорных станций нефтяной и газовой промышленности // Химическое и нефтяное машиностроение.-1990.-№7.-с. 21-22.

3. Парафейник В.П., Довженко В.Н., Бухолдин Ю.С. Выбор проектных параметров центробежных компрессоров с газотурбинным приводом для нефтяной промышленности // Компрессорная техника и пневматика.-1994.-Вып.3.-с.66-69.

4. Парафейник В. П., Бухолдин Ю.С., Довженко В.Н. Проектирование блочно-комплектных компрессорных станций и установок // Химическое и нефтяное машиностроение.-1995.-№ 9.-с.16-20.

5. Бухолдин Ю.С. Особенности компрессорных станций для нефтяной промышленности с приводом компрессоров от газотурбинных двигателей и разработка новых методов их проектирования // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. - К., 1999.-Вып. 35.-с. 241-245.

6. Бухолдин Ю. С., Парафейник В.П., Ванеев С.М. Исследование режимов работы компрессорных установок Анастасьевской КС при работе на нефтяном газе с различной молекулярной массой // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. -К., 1999.-Вып. 36, том 1.-с.256-262.

7. Бухолдин Ю.С., Ванеев С.М. Анализ влияния различных эксплуатационных параметров на характеристики компрессорных установок для нефтяной промышленности // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. –К.,2000.-Вып. 38, том 1.- С.267-272.

Праці, опубліковані по результатам всеукраїнських і міжнародних конференцій та симпозіумів:

8. Бухолдин Ю. С. Методические основы создания математической модели компрессора газлифтной установки // Тезисы докладов Всесоюзн. науч.-техн. конф. “Роль молодых конструкторов и исследователей химического машиностроения в реализации целевых комплексных программ, направленных на ускорение научн.-техн. прогресса в отрасли”. - М: ЦИНТИхимнефтемаш.-1986.-с.85.

9. Программно-вычислительный комплекс САРТУ-КС для проектирования компрессорных установок нефтяной и газовой промышленности / Ю.С. Бухолдин, В.П. Парафейник, О.Г. Голубков, А.Б. Братков // Тезисы докл. 8-й Всесоюзн. научн.-техн. конф. по компрессоростроению (Сумы, 10-12 окт. 1989 г.). - М.: ЦИНТИхимнефтемаш.- 1989.Часть 1.-с. 153-154

10. Исследование характеристик компрессорных установок для станций газлифтной добычи нефти и сайклинг-процесса с применением программно-вычислительного комплекса САРТУ КС / А.Б. Братков, Ю.С. Бухолдин, В.П. Парафейник, Г.А. Бондаренко // Тезисы докл. 8-й Всесоюзн. научн.-техн. конф. по компрессоростроению (Сумы, 10-12 окт.1989 г.). - М: ЦИНТИхимнефтемаш. 1989. Часть 1.-с. 154.

11. Анализ характеристик и методика проектирования центробежного компрессора для установок газлифта нефти с использованием программно-вычислительного комплекса САРТУ-КС / В.П. Парафейник, Г.А. Бондаренко, Ю.С. Бухолдин, А.Б. Братков // Материалы 8-й Всесоюзн. научн.-техн. конф. по компрессоростроению. - Сумы: ВНИИкомпрессормаш.-1991.-с. 177-193.

12. Парафейник В.П., Довженко В.Н., Бухолдин Ю.С. Выбор проектных параметров центробежных компрессоров с газотурбинным приводом для газовой и нефтяной промышленности // Тезисы докл. 9-й Междунар. научн.-техн. конф. по компрессоростроению. – Казань: АО “НИИтурбокомпрессор.-1993.-с. 5-6.

13. Компрессорные станции нефтяной промышленности для транспорта нефтяного газа на основе турбокомпрессорных агрегатов с авиационным приводом / В.И. Кобзистый, Ю.С. Бухолдин. В.П. Парафейник, Н.И. Калашников // Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования: Труды симпозиума. Докл. и тезисы докл., Часть II (С.-Петербург, 24-25 мая 1994 г.).- С.-Пб.- 1994.- с. 235-240.

14. Блочно-комплектная компрессорная станция на базе турбокомпрессорных агрегатов мощностью 6,3 МВт с газотурбинным приводом для газлифтной добычи нефти / В.И. Кобзистый, Ю.С. Бухолдин, Е.Л. Фурса, В.М. Татаринов // Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования: Труды симпозиума. Докл. и тезисы докл., Часть II (С.-Петербург, 24-25 мая 1994 г.), - С.-Пб.- 1994.-с. 241-244.

15. Парафейник В.П., Бухолдин Ю.С. Методология проектирования блочно-комплектных компрессорных установок для газовой и нефтяной промышленности// Матерiали наук.-практ. конф. “Нафта i газ України” (Харкiв, 14-16 травня 1996г.).- Харкiв: УНГА.-1996. –том 3.-с. 99-100.

16. Бухолдин Ю.С., Парафейник В.П. Создание блочно-комплектного оборудования компрессорных станций для нефтедобычи и газопереработки. // Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования: Труды 3-го Междунар. симпозиума. (С.-Петербург, 18-20 июня 1997 г.). - С.-Пб.- 1997.-с. 164-169.

Анотації

Бухолдін Ю.С. Дослідження режимів роботи компресорних установок з багатокорпусним відцентровим компресором і газотурбінним приводом для нафтової промисловості.-Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.05.15 – Вакуумна і компресорна техніка. - Сумський державний університет, Суми, 2001.

Дисертація присвячена питанням створення компресорних установок для нафтової промисловості, які працюють в широкому діапазоні змін умов експлуатації. Розроблена методика визначення проектних параметрів відцентрових компресорів таких установок. Розроблено метод розрахунку основних параметрів і характеристик компресорних установок нафтової промисловості.

Розроблена математична модель компресорної установки для нафтової промисловості. Модель реалізована у вигляді програмно-обчислювального комплексу, до якого входять програмні засоби для розрахунку та моделювання процесів стиснення, охолодження, фазових перетворень газу.

Впровадження у промисловість основних результатів дисертації дозволило мати інформацію про режими роботи компресорних установок ще на стадії проектування та виробити рекомендації по удосконаленню їх конструкції.

Ключові слова: компресорна установка, відцентровий компресор, математична модель, умови експлуатації, режим роботи.

Yu.S. Bukholdin. Investigation of Operating Conditions of Compressor Units for Oil Industry with Multicasing Centrifugal Compressor Driven by Gas Turbine Engine. – Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science in field of 05.05.15 – Vacuum and Сompressor Engineering. – Sumy State University, Sumy 2001.

The dissertation concerns problems of compressor units development for oil industry operating in a wide range of site conditions. It is developed methods for choice of design parameters of centrifugal compressors. Procedure of calculation of main parameters and characteristics of compressor units for oil industry has been worked up. Mathematics model of compressor unit for oil industry is developed. The model is realized as programmable computing complex.

The complex includes software for computing and modeling gas compressing, cooling and phase gas transforming processes.

Industrial implementation of the basic results of the work makes it possible to obtain information concerning the compressor units operating conditions at design stage and work out recommendations on design optimization.

Key words: compressor unit, centrifugal compressor, mathematics modeling, site operating conditions.

Бухолдин Ю.С. Исследование режимов работы компрессорных установок с многокорпусным центробежным компрессором и газотурбинным приводом для нефтяной промышленности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.15 – Вакуумная и компрессорная техника. – Сумский государственный университет, Сумы, 2001.

Диссертация посвящена вопросам создания компрессорных установок с многокорпусным центробежным компрессором и газотурбинным приводом. На основе анализа опубликованных данных показано, что методы проектирования таких установок, опирающиеся на расчет материально-теплового баланса для номинального режима, не обеспечивают их успешной работы в широком диапазоне изменения условий эксплуатации. Применение газотурбинного привода, в свою очередь, вызывает необходимость оптимального выбора величин максимальной мощности двигателя, расхода топливного газа, частоты вращения свободной турбины.

Поэтому для удовлетворения потребностей практического компрессоростроения в повышении технического уровня, сокращении сроков проектирования и доводки оборудования разработан метод расчета основных параметров оборудования компрессорных установок с многокорпусным центробежным компрессором и газотурбинным приводом для нефтяной промышленности, работающих в широком диапазоне изменения эксплуатационных параметров.

На основе системного анализа с использованием декомпозиционного подхода создана математическая модель компрессорной установки, представляющая собой систему математических моделей отдельных структурных элементов и технологических процессов, связанных друг с другом посредством уравнения связи. Дополнительно к известным алгоритмам технологических процессов разработан алгоритм процесса сжатия газа в центробежном компрессоре и алгоритм процесса сжатия с отбором топливного газа.

Для реализации математической модели создан программно-вычислительный комплекс, в состав которого входят: управляющая программа; комплекс программ расчета теплофизических свойств газовых смесей; банк физико-химических свойств индивидуальных компонентов; библиотека моделирующих модулей. Решение задач исследования компрессорных установок с помощью разработанных программных средств представляет собой последовательный расчет заданного набора технологических процессов.

Разработана методика определения проектных параметров центробежных компрессоров компрессорных установок нефтяной промышленности, позволяющая определить такие значения расчетных величин мощности и объемного расхода центробежного компрессора, которые обеспечат работоспособность компрессорной установки во всем диапазоне изменения условий эксплуатации.

Методика определения проектных параметров центробежного компрессора служит начальным этапом метода расчета основных параметров и характеристик компрессорной установки. Далее выполняется анализ особенностей работы газотурбинного привода, охладителей газа и сепараторов. На следующем этапе проводится расчет проточной части компрессора по известным методикам, а затем вычислительный эксперимент с помощью программно-вычислительного комплекса. Анализ результатов расчетов позволяет оценить работу компрессорной установки в широком диапазоне изменения эксплуатационных условий и выработать рекомендации по совершенствованию установки.

С помощью предложенной математической модели выполнено исследование режимов работы компрессорной установки газлифта нефти с приводом мощностью 16 МВт. Основой для расчетов послужили экспериментальные характеристики ЦК, полученные в период заводских и эксплуатационных испытаний. В результате исследований установлены численные границы влияния на характеристики установки изменения ряда параметров: давления и температуры газа, молярной массы газа, климатических условий и т.п.

Разработана методика проектирования компрессорных установок, суть которой заключается в выполнении определенной последовательности операций. К основным из них относятся: выбор структуры и определение состава технологической схемы; определение проектных параметров компрессора; расчет проточной части и характеристик компрессора; проведение вычислительного эксперимента; подбор серийного оборудования; составление баланса теплопотребления; разработка исходных требований на создание газовых охладителей, сепараторов и т.п. Завершающей операцией является разработка технического задания на проектирование компрессорной установки.

Объектом внедрения предложенных методов расчета и проектирования стала компрессорная станция газлифта нефти, включающая компрессорные установки с центробежными компрессорами и газотурбинным приводом мощностью 6,3 МВт для Анастасьевского месторождения (Украина). На оборудовании этой компрессорной станции были выполнены экспериментальные исследования в условиях эксплуатации, которые подтвердили правильность положений, составляющих основу метода расчета основных параметров и характеристик оборудования и методики проектирования компрессорных установок, удовлетворительную сходимость расчетных данных, полученных с помощью математической модели и данных, полученных экспериментальным путем. Результаты работы нашли применение при создании компрессорных установок нефтяной промышленности в Украине, России, Туркменистане.

Ключевые слова: компрессорная установка, центробежный компрессор, математическая модель, условия эксплуатации, режим работы.