Нагнетатели природного газа и их характеристики

Нагнетателями природных газов принято называть лопаточные компрессорные машины с соотношением давления сжатия свыше 1,1 и не имеющих специальных устройств для охлаждения газа в процессе его сжатия.

Все нагнетатели природного газа условно делятся на два класса: неполнонапорные (одноступенчатые) и полнонапорные [8].

Первые, имеющие степень сжатия в одном нагнетателе 1,25-1,27 используются, как отмечалось выше, при последовательной схеме компремирования газа на КС (Рис. 5. 3), вторые – полнонапорные, имеющие степень сжатия 1,45-1,51, используются при коллекторной схеме обвязки компрессорной станции (Рис. 5.2).

Важной характеристикой нагнетателя является его производительность. Применительно к газопроводу различают объемную Q, м³/мин., массовую G, кг/ч. и коммерческую подачу газа Q_к , млн. нм³/сут. Перевод одних величин в другие осуществляется с использованием уравнения Клапейрона с поправкой на сжимаемость газа z, pv = zRT. При использовании G кг газа применяется уравнение Клапейрона-Менделеева также с использованием поправки на сжимаемость газа z, pQ = GzRT, где Q – объемная подача газа, G – массовая подача, характеризующая количество газа, протекающее в единицу времени через сечение всасывающего патрубка. Коммерческая подача Q_к определяется по параметрам состояния во всасывающем патрубке, приведенным к нормальным физическим условиям (t = 20 ⁰C ; p = 0,101 МПа). Для определения коммерческой подачи используется уравнение Клапейрона для «стандартных» условий: р₀v₀ = RT₀ ; Q_k = G/r₀ ; r₀ = p₀ /RT₀.

Каждый тип нагнетателя определяется своей характеристикой, которая строится при его натурных испытаниях. Под характеристикой нагнетателя принято понимать зависимость степени сжатия e, политропического КПД (h_пол.) и удельной приведенной мощности (N_i / r_н)пр. от приведенного объемного расхода газа Q_пр. Строятся такие характеристики для заданного значения газовой постоянной R_пр., коэффициента сжимаемости z_пр., показателя политропы, принятой расчетной температуры газа на входе в нагнетатель Т_в в заданном диапазоне изменения приведенной относительной частоты вращения вала нагнетателя (n/n_0)пр.

Характеристики некоторых типов центробежных нагнетателей, используемых на газопроводах, приведены в табл. 5.3 [12].

Таблица 5.3

Характеристики центробежных нагнетателей для

транспорта природных газов

Тип нагнетателя	Номинал. производ. при t=200C и р=1 МПа	Номинал. частота вращения об/мин	Объемн. производ. м3/мин.	Степень сжатия, e	Конечное давление на выходе, Мпа
370-14-1 Н-300-1,23 Н-196-1,45 520-12-1 370-18-1 Н-16-56 Н-16-75 Н-16-76 650-21-1 820-21-1 Купер-Бессемер: 280-30 CДР-224 2ВВ-30 Нуово-Пиньони: PCL-802/24 PCL-1001-40	19,1 20,0 10,7 29,3 36,0 51,0 51,0 31,0 53,0 53,0   16,5 17,2 21,8   17,2 45,0			1,25 1,24 1,45 1,27 1,23 1,24 1,24 1,44 1,45 1,45   1,51 1,51 1,51   1,49 1,51	5,66 5,50 5,60 5,60 7,60 5,60 7,50 7,50 7,60 5,60   5,60 7,50 7,50   7,52 7,52

Типовая характеристика нагнетателя типа 370-18-1 приведена на Рис. 5.4. Характеристики других типов нагнетателей имеют такой же вид, как для неполнонапорных, так и для полнонапорных нагнетателей.

Пользуются характеристиками нагнетателей следующим образом. Зная фактические значения величин R, z, T_B , n для данных условий, по соотношению 5.1 определяют приведенную относительную частоту вращения нагнетателя (n/n_0)пр. По известной степени сжатия с использованием характеристики нагнетателя (Рис. 5,4) находят объемный расход газа Q₀, а по соотношению 5,2 определяется приведенный объемный расход газа Q_пр.. По соответствующим кривым характеристики нагнетателя (Рис. 5.4) определяется политропический КПД h_пол. и приведенная внутренняя мощность нагнетателя (N_i /r_B)пр.:

(5.1)

Q_пр. = Q₀ (5.2)

Внутренняя мощность, потребляемая нагнетателем, определяется соотношением:

N_i = (5.3)

В соотношениях 5.1-5.3 индексом «0» отмечен номинальный режим работы нагнетателя; индексом «в» – отмечены параметры газа на входе в нагнетатель. Плотность газа на входе в нагнетатель r_в , кг/м³ определяется по соотношению:

(5.4)

где р_в , Т – соответственно абсолютное давление газа на входе в нагнетатель (р_в , МПа ₎ и абсолютная температура газа на линии всасывания, К.

Эффективная (фактическая) мощность на муфте энергопривода, кВт; N_e= N_i + N_мех. , где N_мех. – механические потери; для газотурбинного привода N_мех. = 100 кВт.

Расчетный рабочий расход газа Q_пр. для нагнетателей должен быть примерно на 10-12% больше крайних левых значений расхода на его характеристике, соответствующего условиям начала срыва потока газа по нагнетателю (зоне помпажа). На Рис. 5. 4 этому режиму соответствует подача газа на уровне примерно 360 м³/мин.

Наличие надежных приведенных характеристик при эксплуатации газотурбинного привода позволяет обслуживающему персоналу определять характеристики работающих агрегатов и выбирать наилучший режим их работы в зависимости от конкретных условий.

При проведении инженерных расчетов, в целом ряде случаев удобно применение и ряда других характеристик нагнетателей, производных от паспортных, например:

Приведенная разность энтальпии газа:

(5.5)

Приведенная удельная потенциальная работа:

(5.6)

Показатель политропного процесса сжатия газа:

m = (5.7)

Политропный (фактический) КПД нагнетателя определяется из сопоставлений соотношений (5.5 и 5.6):

(5.8)

Следует отметить, что в эксплуатационных условиях (из-за значительного износа проточной части нагнетателя) практически всегда имеется весьма заметный сдвиг этой характеристики по сравнению с ее паспортным значением.

Задача 5.1. Определить по эксплуатационным данным техническое состояние центробежного нагнетателя агрегата типа ГПА-Ц-16 : давление газа на входе нагнетателя Р₁ = 4,8 МПа, давление газа на выходе , давление газа на выходе Р = 7,2 МПа, температура газа на входе t₁ = 8 ⁰C , температура газа на выходе t₂ = 58 ⁰C , частота вращения вала n = 4700 об/мин. Газовая постоянная R= 497 Дж/кгК. Номинальные параметры, при которых построена характеристика нагнетателя , равны: z =0,89; Т _пр.= 288 К, R _пр. = 490 Дж/кгК, n = 4900 об/мин. В качестве рабочего тела используется метан – как один из основных составляющих природного газа.

Решение. Одним из показателей технического состояния центробежного нагнетателя считается его относительный КПД, определяемый как отношение обратимой работы сжатия в данных пределах соотношения давления сжатия к реальной работе сжатия в тех же пределах соотношения давлений сжатия. Характерной особенностью решения данной задачи является то, что все ее характеристики должны определяться как функции двух переменных, например Р и Т. То есть в данном случае имеем дело с реальным газом, в отличие от идеального газа состояние которого определяется только в зависимости от температуры Т.

Удельная обратимая потенциальная (техническая) работа определяется следующим известным соотношением:

При принятых исходных данных: z = 0,89; R =497 Дж/кгК; Р₁/Р₂ =1,5; конечная температура адиабатического (обратимого) процесса сжатия определяется из уравнения адиабаты:

К ; t₂ =41,5 ⁰C

Подставляя полученные численные значения в исходное соотношение, находим численную величину удельной приведенной потенциальной работы сжатия:

КДж/кг

Приведенная разность энтальпии природного газа, определятся как функция двух переменных – давления и температуры. Расчетный вид этой формулы может быть представлен следующим соотношением:

,

Где величина разности энтальпии – аналог удельной реальной работы сжатия газа в компрессоре; Cpm – средняя температура газа в процессе сжатия; t1 и t2 – соответственно начальная и конечная температура сжатия газа в нагнетателе; (CpDh)m – расчетный комплекс, характеризующий отличие реального газа от идеального; Р1 и Р2 – соответственно начальное и конечное абсолютное давление на входе и выходе нагнетателя.

Среднее значение теплоемкости метана можно определить по следующему эмпирическому соотношению [ 12 ]:

C_pm = 2,08 + 0,11P₁+(0,003 – 0,0009P₁)t_m=2,564 кДж/кгК;

Соответственно, значение комплексной величины (C_pD_h)_m определяется следующим соотношением [ 12 ]: