Энергоэффективность компримирования природного газа на промысле при неравномерности показателей эксплуатации основного газоперекачивающего оборудования (стр. 1 )

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Эффективность использования энергии является важным показателем научно-технического и экономического развития страны. В настоящее время в России удельные затраты энергии на единицу ВВП выше чем в США в 4 раза, Японии в 3,6 раза, Германии в 2,5 раза. Поэтому снижение энергопотребления (энергосбережение) — важная задача для всех отраслей экономики России.

Энергосбережение — одно из основных направлений развития ОАО «Газпром». Одним из наиболее энергоёмких технологических процессов является компримирование природного газа. Газоперекачивающие агрегаты (ГПА) компрессорных станций (КС) потребляют 80-85 % общих затрат газа на собственные технологические нужды. В частности, на промысловых дожимных КС (ДКС) затраты на топливный газ для ГПА в период падающей добычи могут достигать 50 % в общей структуре эксплуатационных затрат. Кроме того, изучение режимов работы промысловых технологических систем показало, что, как правило, ДКС работают на нерасчётных режимах, вследствие различия проектных и фактических показателей разработки, несовпадения фактических характеристик оборудования и принятых при проектировании, неравномерности режимов работы (сезонной, суточной) и др.

Данное обстоятельство не позволяет реализовать потенциал эффективности проектных решений и в основном приводит к перерасходу топливного газа (энергопотребления) относительно проектных значений. В наиболее тяжёлых случаях требуется внеплановая реконструкция ДКС для адаптации к изменившимся условиям работы, что приводит к дополнительным финансовым затратам. Таким образом, оценка показателей эффективности возможных нерасчётных режимов работы при проектировании промысловой технологии компримирования имеет большое практическое значение, особенно для удалённых добычных объектов крайнего севера, арктического шельфа.

Поэтому исследование энергоэффективности промысловых технологий компримирования газа в условиях неравномерности и отклонения от проектных значений показателей эксплуатации основного газоперекачивающего оборудования является актуальной темой диссертации.

Целью диссертационной работы является разработка новых научно-обоснованных методов повышения энергоэффективности компримирования природного газа на промысле при неравномерности и отклонении от проектных значений показателей эксплуатации основного оборудования, компрессоров и приводных двигателей в составе газоперекачивающих агрегатов.

Задачи исследования

1. Провести количественную оценку динамики показателей эксплуатации существующих ДКС и их отклонения от проектных значений.

2. Разработать методику количественной оценки влияния параметров режима работы ГПА на показатели энергоэффективности.

3. Разработать методику моделировния газодинамических характеристик (ГДХ) высоконапорных центробежных (ЦБК) и осевых компрессоров (ОК) природного газа, обеспечивающую высокую точность математического описания ГДХ (не менее 1,0-3,0 %), что позволит повысить точность прогнозных расчётов показателей энергоэффективности ГПА.

4. Выполнить теоретическое обоснование применения методов повышения энергоэффективности промысловых систем компримирования газа в условиях неравномерности и отклонения от проектных значений показателей эксплуатации основного газоперекачивающего оборудования:

- провести ранжирование параметров работы ГПА по степени влияния на показатели энергоэффективности;

- определить и обосновать показатели чувствительности энергоэффективности технологии компримирования к отклонению от проектных условий эксплуатации;

- провести сравнительный анализ чувствительности показателей энергоэффективности распределённой и централизованной схем компримирования, различных типов ГПА к изменению условий эксплуатации.

Научная новизна работы

В результате выполнения диссертации разработаны:

- методика моделирования ГДХ центробежных и осевых компрессоров с использованием двухпараметрических аппроксимационных уравнений, обеспечивающая высокую точность описания ГДХ (не ниже 1,0-3,0 %) как для низко-, так и высоконапорных, одно - и многоступенчатых модификаций;

- методики оптимизации энергоэффективности компримирования газа на промысле при распределённой схеме и при многоступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением на ДКС исходя из минимума расхода топливного газа при заданных давлениях нагнетания ДКС и на устье скважин.

Обоснованы показатель чувствительности энергоэффективности к изменению условий эксплуатации и необходимость его оценки на этапе проектирования технологии компримирования в составе промысла.

Впервые проведен сравнительный анализ распределённой и централизованной схем компримирования на промысле для вариантов оснащения ГПА различными типами компрессорных машин (винтовые, поршневые, осевые и центробежные компрессоры) и приводов (поршневые и газотурбинные двигатели) по критерию чувствительности энергоэффективности к отклонению фактических показателей эксплуатации от проектных. На основе полученных данных определена область рационального применения осевых компрессоров, схемы распределённого компримирования.

Защищаемые положения:

1. Методика моделирования ГДХ с использованием двухпараметрических аппроксимационных уравнений, позволяющая с высокой точностью (1,0-3,0 %) описывать ГДХ низко - и высоконапорных модификаций осевых и центробежных компрессоров, как одно-, так и многоступенчатых конструкций.

2. Обоснование показателя чувствительности энергоэффективности компримирования газа к изменению показателей эксплуатации для сравнения различных вариантов технологии компримирования на промысле.

3. Методики оптимизации энергоэффективности распределённой схемы компримирования на промысле и многоступенчатых схем сжатия газа с промежуточным охлаждением на ДКС.

4. Обоснование областей применения распределённой схемы компримирования и осевых компрессоров, исходя из условия получения энергосберегающего эффекта при неравномерности показателей эксплуатации основного оборудования и их отклонения от проектных значений.

Практическая ценность работы

Результаты работы использованы при разработке проекта реконструкции ДКС Вуктыльского газопромыслового Управления, специальных технических условий на проектирование, строительство и эксплуатацию объектов добычи и подготовки газа и газового конденсата Чаяндинского НГКМ.

Разработанные методики и результаты работы могут быть использованы в производственных и проектных организациях при разработке программ энергосбережения и повышения энергоэффективности компримирования газа на промысловых объектах ОАО «Газпром», в том числе на морских добычных объектах.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на II и III Научно-практической молодежной конференции «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2010 г., 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении», ЦИАМ, Москва, 2010 г.

Работа «Технологическое развитие дожимного комплекса месторождений, находящихся на завершающей стадии разработки на примере дожимной компрессорной станции Вуктыльского ГПУ», содержащая результаты настоящего исследования, удостоена диплома победителя во всероссийском конкурсе на лучшую молодёжную научно-техническую разработку по проблемам топливно-энергетического комплекса ТЭК-2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 3 в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 145 наименований. Работа изложена на 155 страницах, включая 86 рисунков и 38 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор направления исследования и его цель, определены основные задачи, показана их актуальность, научная и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены существующие и перспективные технологии компримирования газа на промысле. Проведен количественный анализ динамики фактических показателей эксплуатации ДКС с газотурбинными ГПА в годовом, квартальном и сезонном (зима, лето) временных разрезах, а также их соответствия проектным значениям. Определялись амплитуда изменения, среднеквадратичное отклонение, коэффициент вариации и величина отклонения от проектных значений для температуры на входе (), давления на входе-выходе (,) ЦБК / ДКС, производительности ДКС, при стандартных условиях (q, млн ст. м3/сут).

На примере ДКС Уренгойского и Ямбургского НГКМ показано, что в течение одного квартала отклонение от среднего значения производительности может достигать 28,4-37,8 %, а для входного давления 16,9-48,8 %. Максимальные отклонения от среднегодового значения достигают 57,1 % и 58,3 % для производительности и давления соответственно. Снижение входного давления относительно проектных значений достигает 15,0 %.

Вопросами энергоэффективности компримирования природного газа занимались , , Д, , А,  К., Галиуллин З. Т., Хворов Г. А., Стурейко О. П.

Исследование нерасчётных режимов газоперекачивающего оборудования и обоснование перспективности их исследования впервые выполнены   в середине 70-х годов для КС магистральных газопроводов (МГ). Анализ фактических режимов показал, что по сравнению с КС МГ для ДКС характерны более высокие степени неопределённости и динамика изменения показателей эксплуатации.

Во второй главе представлена методика расчёта режимов работы ГПА, оснащённых различными типами приводных двигателей и компрессорных машин: газотурбинная установка (ГТУ), поршневой двигатель (ПД), центробежный и осевой (ЦБК и ОК), поршневой и винтовой (ПК и ВК) компрессоры, рассмотрены существующие способы моделирования газодинамических характеристик лопаточных компрессоров ‑ ЦБК и ОК.

В качестве критерия для сравнения энергоэффективности работы систем компримирования с использованием различных типов компрессоров и двигателей принят удельный расход топливного газа: расход ТГ (), отнесённый к производительности ГПА (), ‑ параметр определяет затраты ТГ на единицу объёма продукции, тыс. м3/млн. м3.

, (1)

где - удельная мощность компримирования: потребная мощность «на валу» привода (), отнесённая к производительности ГПА (), определяющая энергозатраты на единицу объёма продукции, кДж/(млн м3/сут); ‑ эффективный КПД привода.

Методика расчёта режимов работы ГПА включает в себя определение показателей свойств и процесса сжатия природного газа (Z ‑ коэффициент сжимаемости; k ‑ показатель адиабаты; ,  ‑ температурный и объёмный показатели политропы), параметров режима работы ГПА (Q ‑ производительность, м3/мин; ‑ степень сжатия (отношение давлений);  ‑ частота вращения ротора компрессора (ГПА), об/мин;  ‑ температура нагнетания, К), показателей энергоэффективности оборудования ГПА и в целом ДКС ( ‑ КПД компрессора,  ‑  эффективный КПД привода, ,).

При расчёте значений КПД агрегатов ГПА учитывается изменение КПД при отклонении от номинального режима работы: , . Здесь , где , ‑ КПД на рассматриваемом режиме работы и его номинальное значение, определённые по паспортной характеристике оборудования.

Номинальные значения КПД привода () и компрессора () назначаются на основании обобщения данных каталогов, нормативных документов и фактических характеристик оборудования. Влияние режима работы учитывается по обобщённым характеристикам компрессоров и приводных двигателей, безразмерным зависимостям: , , где безразмерные параметры определяются по формулам вида ; ‑ эффективная приведённая мощность на валу ГТУ, , где ‑ коэффициент загрузки мощности привода.

Параметры режимов работы исследуемой системы (ДКС и ГПА) можно разделить на внешние и внутренние (рисунок 1).

Рисунок 1 ‑ Параметры режимов работы ГПА

Влияние параметров режима (рисунок 1) на энергоэффективность ГПА определяется по методике, основанной на методе малых отклонений (МО).

Расчётные зависимости в виде МО получаются в результате линеаризации точных уравнений. Так, формула (1) для критерия энергоэффективности в виде МО примет вид: . Для учёта влияния всех интересующих нас показателей эксплуатации (рисунок 1) уравнение для представляется в виде системы двух уравнений (2) в виде МО:

, (2)

где ‑ относительное изменение параметра Xi; , ‑ параметры, определяющие режим работы привода и газового компрессора; – коэффициент влияния, определяющий как изменяется значение функции Y при увеличении (уменьшении) аргумента X на 1,0 %.

Значения Kу, х определяются по формулам вида:

, (3)

где Xi0, Y0 ‑ значения на расчётном режиме; ‑ частные производные от функции определяемого параметра Y по аргументам Xi.

Частные производные параметров Z, и в формулах для Kу, х технологических параметров (,,,,и др.) определяются числено по формуле Стирлинга (центральной разностной производной):

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3