К.т.н. Кибарин А.А., Ходанова Т.В.
Алматинский
институт энергетики и связи
Т.Г. Усеров
ТОО
«ЭкоЭнергоГаз»
О эффективности регулирования режимов работы компрессорной станции с
электроприводными ГПА с помощью частотно-регулируемого привода на примере компрессорной
станции «Тараз»
На компрессорной станции КС «Тараз» (далее
КС) УМГ «Южный» установлены три ЭГПА мощностью 6300 кВт (в работе один из трех).
ЭГПА-Ц-6,3В работает при постоянной частоте вращения равной 8314 об/мин (частота
вращения электродвигателя 3000 об/мин). В этой связи степень сжатия,
потребляемая мощность, политропный КПД нагнетателя однозначно будут зависеть от
его производительности. В свою очередь производительность нагнетателя
определяется характеристикой магистрального газопровода. Для КС диспетчерской
службой задается определенное давление на выходе из нагнетателя, то есть
степень сжатия и производительность.
По условиям загрузки газопровода
нагнетатели КС работают только в зимний период, поэтому для анализа режимов
работы принимались в расчет месяцы с ноября по апрель. В зимние месяцы по
магистральным газопроводам в районе КС транспортируется порядка 4-6 млн.нм3/сутки.
С учетом среднего давления на входе в нагнетатель на уровне 20-25 кгс/см2
плотность газа на входе составляет порядка 15-18 кгс/см2. В этих
условиях производительность нагнетателя должна составлять порядка 2,6-3,8 м3/с
по условиях всасывания.
По условиям надежной работы нагнетателя
НЦВ-6,3 (отсутствие режимов близких к помпажу) степень сжатия не должна
превышать 1,45, хотя практика эксплуатации показала, что нагнетатель работает
устойчиво вплоть до степени сжатия 1,48. Таким образом, по условиям
эксплуатации производительность нагнетателя не должна быть ниже 3,2-3,4 м3/с
по параметрам всасывания.
Очевидно, что режим работы магистрального
газопровода в течение практически всего сезона работы ЭГПА-Ц-6,3В КС не
соответствует диапазону допустимых режимов работы нагнетателя (рисунок 1).
2 1
Рисунок 1 Режимы загрузки
газопровода и нагнетателя КС – 5 «Тараз»
1 – загрузка нагнетателя; 2 –
загрузка магистрального газопровода
Для того чтобы переместить режим работы
нагнетателя в зону устойчивой работы в УМГ «Южный» используется регулирование
производительности нагнетателя байпасированием части газа с нагнетания на всас.
В ряде случаев особенно в весенние месяцы давление в трубопроводе
поддерживается на таком уровне, что степень сжатия на нагнетателе КС должна
быть на уровне 1,12-1,18, то есть производительность нагнетателя должна быть на
уровне 4,5-5 м3/с.
При отсутствии такого количества газа в
трубопроводе приходится открывать байпас практически на 100 % и гонять газ по
контуру. Потребление газа 3-4 млн.нм3/сутки, коммерческая
производительность нагнетателя
7-9 млн.нм3/сутки.
Следует сказать, что работа нагнетателя на
режимах пониженной степени сжатия приводит к снижению политропного КПД
нагнетателя до 0,4-0,5, то есть нагнетатель работает очень неэкономично.
Анализ суточных ведомостей работы ЭГПА на
КС показал, что в переходные месяцы ноябрь, март краны открыты на 50-70 %, а в
зимние месяцы на 20-30 %. Режимы с полностью закрытыми кранами составляют всего
несколько дней. Были изучены суточные ведомости работы нагнетателей ЭГПА №3 и
ЭГПА №2 за 2005, 2006 и начало 2007 года. Кроме того, были проведены съемы
показаний приборов на щите управления и непосредственно на агрегатах в марте
2007 года. Анализ и измерения показали,
что режимы работы агрегатов сильно меняются не только в течение недели или
месяца, но и в течение дня.
Проведя анализ суточных ведомостей и
расчет характеристик ЦБН можно отметить, что производительность нагнетателя
поддерживается на уровне 3,8-4,2 м3/с по условиям всасывания или
составляет порядка 5,5-6,5 млн.нм3/сутки. В холостую перекачивается
от 1,0 до 2,5 млн. нм3/сутки.
Если пересчитать это в затраченную электроэнергию, то получим экономию мощности
до 1-1,5 МВт или до 24 -36 МВт*ч в сутки,
при стоимости электроэнергии порядка
7 тенге/кВт*ч получим перерасход порядка 160-240 тыс.тенге в сутки.
Поскольку в электроприводной ГПА
ЭГПА-Ц-6,3В регулирование оборотов невозможно, для сравнения возьмем
нормативную характеристику нагнетателя ГПА-Ц-6,3/56М-1,45 с приводом от газовой
турбины, позволяющей регулировать частоту вращения компрессора. Так снижение
оборотов на 20 % приведет к изменению производительности примерно на те же 20
%. Например, при степени сжатия газа 1,3 на номинальной частоте вращения 8200
об/мин (значения расчетных величин: [Тн]пр=293°К, R=51,8 кГм/кг° К, Zпр=0,90, nн=8200
об/мин) производительность нагнетателя равнялась 237 м3/мин. При изменении частоты [n/nн]пр = 0,8 производительность снизится до
175 м3/мин.
Смещение по производительности на 20 %
приведет и к снижению приведенной относительной внутренней мощности, в нашем
случае она составит 213 кВт/кг/м3. Фактическая относительная
внутренняя мощность уменьшится и составит в соответствии с формулами приведения
109,6 кВт/кг/м3. При давлении на входе в нагнетатель на уровне 24
кгс/см2 мощность нагнетателя будет равна 2620 кВт при первоначальной
5280 кВт.
Данный пример показывает очевидные
преимущества регулирования производительности нагнетателя частотой вращения.
Выводы:
Из проведенных расчетов, анализа
характеристик и суточных ведомостей установлено, что режим работы
магистрального газопровода в течение практически всего сезона работы
ЭГПА-Ц-6,3В КС «Тараз» не соответствует диапазону допустимых режимов работы
нагнетателя.
Сезонные и посуточные колебания расхода
газа являются неизбежными и происходят вследствие его неравномерного разбора, а
также из-за пусков и остановов ГПА на удаленных компрессорных станциях,
изменения потоков газа по отдельным газопроводам. Уменьшение расхода газа по
газопроводу приводит к увеличению степени сжатия на всех работающих ГПА и,
соответственно, росту энергозатрат.
Использование, в этом случае,
электроприводных газоперекачивающих агрегатов требует эффективного
регулирования их производительности. Компенсация подобных колебаний расхода
возможна, и должна осуществляться в автоматическом режиме посредством плавного
регулирования производительности ЭГПА.
Эффективным средством управления производительностью
электроприводных ГПА может стать использование ЧРП, позволяющих поддерживать
стабильное минимально достаточное давление газа на выходе из КС. Установка ЧРП
с введением технологической обратной связи по давлению позволит оптимизировать
режимы работы ГПА и КС в целом [1, 2]. При экономии затрат на электроэнергию
порядка 45-50 млн.тенге в год срок окупаемости проекта установки ЧРП составит
порядка 7-8 лет.
Литература
1. Козаченко А.Н., Никишин В.И. Основы
ресурсоэнергосберегающих технологий трубопроводного транспорта природных газов.
Учебное пособие: ГАНГ им. И.М.Губкина. М.: 1996.
2. Лезнов Б.С. Энергосбережение и
регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках // М.:
Энергоатомиздат, 2006.360с.