5.3. 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, м 3 /мин., массовую G, кг/ч. и коммерческую подачу газа Qк , млн. нм 3 /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 Qк определяется по параметрам состояния во всасывающем патрубке, приведенным к нормальным физическим условиям (t = 20 0 C ; p = 0,101 МПа). Для определения коммерческой подачи используется уравнение Клапейрона для «стандартных» условий: р0v0 = RT0 ; Qk = G/0 ; 0 = p0 /RT0.
Каждый тип нагнетателя определяется своей характеристикой, которая строится при его натурных испытаниях. Под характеристикой нагнетателя принято понимать зависимость степени сжатия , политропического КПД (пол.) и удельной приведенной мощности (Ni / н)пр. от приведенного объемного расхода газа Qпр. Строятся такие характеристики для заданного значения газовой постоянной Rпр., коэффициента сжимаемости zпр., показателя политропы, принятой расчетной температуры газа на входе в нагнетатель Тв в заданном диапазоне изменения приведенной относительной частоты вращения вала нагнетателя (n/n0)пр.
Характеристики некоторых типов центробежных нагнетателей, используемых на газопроводах, приведены в табл. 5.3 [12].
Характеристики центробежных нагнетателей для
транспорта природных газов
Номинал. частота вращения об/мин
Конечное давление на выходе, Мпа
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, TB , n для данных условий, по соотношению 5.1 определяют приведенную относительную частоту вращения нагнетателя (n/n0)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 Qпр.. По соответствующим кривым характеристики нагнетателя (Рис. 5.4) определяется политропический КПД пол. и приведенная внутренняя мощность нагнетателя (Ni /B)пр.:
(5.1)
Qпр. = Q0 (5.2)
Внутренняя мощность, потребляемая нагнетателем, определяется соотношением:
Ni = (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 в , кг/м 3 определяется по соотношению:
(5.4)
где рв , Т – соответственно абсолютное давление газа на входе в нагнетатель (рв , МПа ) и абсолютная температура газа на линии всасывания, К.
Эффективная (фактическая) мощность на муфте энергопривода, кВт; Ne= Ni + Nмех. , где Nмех. – механические потери; для газотурбинного привода Nмех. = 100 кВт.
Расчетный рабочий расход газа Qпр. 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 м 3 /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 0 C , температура газа на выходе t2 = 58 0 C , 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.
Удельнаяобратимая 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 0 C
Подставляя полученные численные значения в исходное соотношение, находим численную величину удельной приведенной потенциальной работы сжатия:
= 0,89.497.297,9.0,405.1,045 = 55,63 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 ]:
Cpm = 2,08 + 0,11P1+(0,003 – 0,0009P1)tm=2,564 кДж/кгК;
Соответственно, значение комплексной величины (CpDh)m определяется следующим соотношением [ 12 ]:
кДж/кгМПа
Следовательно, реальная работа сжатия газа в нагнетателе будет равна:
кДж/кг
Соответственно, приведенная разность энтальпии:
кДж/кг:
Относительный политропный КПД при принятых эксплуатационных данных составит:
Если паспортный КПД нагнетателя составляет величину порядка 0,80, то следовательно параметр технического состояния нагнетателя по КПД будет равен: К = 0,63/0,80 = 0,78. Что следует признать весьма низким значением для условий эксплуатации.
Источник
2.14. Нагнетатели природного газа. Их характеристики
Нагнетателями природных газов принято называть лопаточные компрессорные машины с соотношением давления сжатия свыше 1,1 и не имеющие специальных устройств для охлаждения газа в процессе его сжатия.
Все нагнетатели условно можно разделить на два класса: неполнонапорные (одноступенчатые) (см. рис. 2.34) и полнонапорные (см. рис. 2.35). Первые, имеющие степень сжатия в одном нагнетателе 1,25-1,27, используются при последовательной схеме компремирования газа на КС, вторые — полнонапорные, имеющие степень сжатия 1,45-1,51, используются при коллекторной схеме обвязки компрессорной станции.
2.34. Неполнонапорный одноступенчатый нагнетатель 370-18 агрегата гтк-10-4 производства нзл:
1 — корпус; 2 — крышка; 3 — лопаточный диффузор; 4 — рабочее колесо; 5 — гильза; 6 — зубчатая муфта; 7 — клиновые прокладки; 8 — анкерные болты
Рис. 2.35. Полнонапорный двухступенчатый нагнетатель НЦ-16/76 агрегата ГПА У16 производства АО «СМПО им. Фрунзе»:
1 — опорный подшипник; 2 — крышка; 3 — корпус; 4 — внутренний корпус; 5 — ротор; 6 — крышка; 7 — уплотнение; 8 — упорно-упорный подшипник; 9 — блок масляных насосов; 10 — думмис; 11 — улитка; 12 — обратный направляющий аппарат
Важной характеристикой нагнетателя является его производительность. Применительно к газопроводу различают объемную , м /мин, массовую 
, кг/ч и коммерческую подачу газа 
, млн·нм /сут. Перевод одних величин в другие осуществляется с использованием уравнения Клапейрона с поправкой на сжимаемость газа 
. При использовании кг газа применяется уравнение Клапейрона-Менделеева также с использованием поправки на сжимаемость газа 
, где — объемная подача газа, — массовая подача, характеризующая количество газа, протекающее в единицу времени через сечение всасывающего патрубка. Коммерческая подача определяется по параметрам состояния во всасывающем патрубке, приведенным к нормальным физическим условиям ( 
= 20 °С; = 0,101 МПа). Для определения коммерческой подачи используется уравнение Клапейрона для «стандартных» условий: 
; 
, 
.
Характеристики ряда типов центробежных нагнетателей, используемых на газопроводах, приведены в табл. 2.5.
Каждый тип нагнетателя характеризуется своей характеристикой, которая строится при его натурных испытаниях. Под характеристикой нагнетателей принято понимать зависимость степени сжатия 
, политропического КПД ( 
) и удельной приведенной мощности 
от приведенного объемного расхода газа 
. Строятся такие характеристики для заданного значения газовой постоянной 
, коэффициента сжимаемости 
, показателя адиабаты, принятой расчетной температуры газа на входе в нагнетатель 
в принятом диапазоне изменения приведенной относительной частоты вращения 
. Типовая характеристика нагнетателя типа 370-18-1 приведена на рис. 2.36. Характеристики других типов имеют такой же вид, как для неполнонапорных, так и для полнонапорных нагнетателей.
Рис. 2.36. Приведенные характеристики нагнетателя 370-18-1 при 
= 288К; 
= 0,9; 
= 490 Дж/(кг·К)
Источник