Газоперекачивающий агрегат (ГПА)

Газоперекачивающий агрегат (ГПА) — предназначен для компримирования природного газа на компрессорных станциях

ГПА состоит из нагнетателя природного газа, привода нагнетателя, всасывающего и выхлопного устройств (в случае газотурбинного привода), систем автоматики, маслосистемы, топливовоздушных и масляных коммуникаций и вспомогательного оборудования.

ГПА различают: по типу нагнетателей — поршневые газомоторные компрессоры (газомотокомпрессоры) и ГПА с центробежными нагнетателями; по типу привода — ГПА с газовым двигателем внутреннего сгорания (газомоторные двигатели), с газотурбинным приводом, с электроприводом.

ГПА с газотурбинным приводом, в свою очередь, подразделяются на агрегаты со стационарной газотурбинной установкой и с приводами от газотурбинных двигателей авиационного и судового типов.

Поршневой газомоторный компрессор — ГПА, состоит из двухтактного или четырехтактного газомоторного двигателя (или электродвигателя) и непосредственно соединённого с ним горизонтального поршневого компрессора. Подразделяются на агрегаты низкого, среднего и высокого давлений.

Компрессоры низкого давления (0,3-2 МПа) используются главным образом на головных компрессорных станциях при транспортировке газа с истощённых месторождений и нефтяного газа с промыслов.

Применяют их также на компрессорных станциях для подачи низконапорных искусственных горючих газов.

Компрессоры среднего давления (2-5 МПа) работают в основном на промежуточных компрессорных станциях для увеличения пропускной способности газопроводов. Агрегаты высокого давления (9,8-12 МПа) устанавливают на компрессорных станциях для закачки газа в подземные хранилища.

Газомотокомпрессоры высокоэффективны в условиях переменных мощностей и степеней сжатия свыше 1,3. Основные достоинства этих ГПА: надёжность в эксплуатации; длительный срок службы; способность работать в широком диапазоне давлений; возможность регулирования производительности за счёт изменения оборотов агрегатов и объёма т.н. вредного пространства в компрессорных цилиндрах, а также возможность создания больших давлений в них. Кпд современных газомотокомпрессоров до 40%. В CCCP были наиболее распространены агрегаты мощностью 221-5510 кВт, за рубежом — 368 и 8100 кВт.

ГПА с центробежным нагнетателем широко применялись в CCCP и за рубежом на магистральных газопроводах в качестве основных агрегатов; их также используют для работы в качестве первой ступени сжатия на подземных хранилищах. Различают центробежные нагнетатели одноступенчатые (неполнонапорные) со степенью сжатия 1,23-1,25 и двухступенчатые (полнонапорные) -1,45-1,7. Центробежные нагнетатели характеризуются значительно большей, чем у поршневых компрессоров, производительностью (12-40 млн. м 3 /сутки).

В них отсутствуют внутренние трущиеся части, требующие смазки (за исключением подшипников), создаётся равномерный (без пульсации) поток газа.

Для их установки (в связи с малым весом и габаритами, а также уравновешенностью вращающихся частей) требуются меньшие помещения и сооружаются облегчённые фундаменты. При применении ГПА с центробежными нагнетателями вследствие их большой производительности упрощается технологическая схема компрессорных станций, уменьшается количество запорной арматуры и др.

Недостаток неполнонапорных центробежных нагнетателей — необходимость включения в работу 2 х последовательно соединённых агрегатов для достижения степени сжатия газа 1,45-1,5. Это приводит к увеличенному расходу топливного газа в газотурбинной установке. Кпд агрегатов с центробежными нагнетателями до 29%, с регенератором тепла до 35%. Приводом ГПА служит газотурбинная установка или электродвигатель. В CCCP изготовливались ГПА с газотурбинным приводом мощностью 6, 10, 16 и 25 тысяч кВт.

Газотурбинные установки авиационного и судового типов отличаются (от стационарных) небольшими габаритами и массой, что позволяет осуществлять их окончательную сборку на заводах-изготовителях и поставлять на компрессорные станции в готовом виде. ГПА с приводом от установок авиационного типа выполняются в блочно-контейнерном варианте . Поставляются на компрессорные станции со встроенными в них системами пожаротушения и взрывобезопасности. В качестве электропривода в ГПА используют асинхронные двигатели мощностью 4500 кВт и синхронные от 4000 до 12500 кВт. Наибольшая эффективность применения ГПА с электроприводом достигается при расположении компрессорных станций не далее 300 км от линии электропередач.

Для ГПА всех типов созданы системы автоматики, обеспечивающие пуск и работу агрегата в автоматическом режиме, защиту при возникновении аварийных режимов, сигнализацию о неисправностях и действии защит, контроль объёмной производительности нагнетателя, автоматическое поддержание заданной температуры и давления масла при аварийной остановке агрегата и др.

Каждый тип компрессоров имеет индивидуальные особенности как конструктивного, так и функционального характера. Именно поэтому, когда вы выбираете компрессор для ГПА или дожимной компрессорной установки, важно в полной мере учитывать условия его работы и требования, предъявляемые к его техническим характеристикам.

Наибольшее значение имеют следующие параметры:

• объем перекачиваемого газа;
• давление и температура газа на входе/выходе;
• химический состав и влажность перекачиваемого газа;
• характеристики места инсталляции ГПА (максимальная и минимальная температура воздуха, высота над уровнем моря);
• тип используемого привода;
• предполагаемая годовая наработка в часах;
• класс исполнения (взрывозащищенный, сейсмостойкий и др.);
• допустимое содержание масла в газе на выходе;
• тип автоматики (электрическая или пневматическая).

Определенные виды компрессоров лучше использовать в следующих условиях:

• Компрессор поршневой — высокие степени повышения давления и высокие абсолютные давления, переменные режимы, сравнительно небольшие потоки и мощности (до 6 МВт).
• Компрессор винтовой — высокие степени повышения давления при небольших абсолютных давлениях и небольших перепадах давления, переменные режимы, сравнительно небольшие потоки и мощности (до 2000 кВт).
• Компрессор центробежный — большие потоки и мощности, предпочтительно небольшие степени повышения давления и невысокие абсолютные давления, постоянные режимы.

ГПА различают по типу привода — ГПА c газовым двигателем внутреннего сгорания (газомоторные двигатели), c газотурбинным приводом, c электроприводом.

Типы газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом и их характеристики

Газотурбинные агрегаты, как отмечалось выше, подразделяются на: стационарные, авиационные и судовые [11].

К стационарным газотурбинным установкам, специально сконструированных для использования на газопроводах, следует отнести установки: ГТ-700-5, ГТК-5 , ГТ-750-6 ГТ-6-750, ГТН-6, ГТК-10-2-4, ГТН-25 мощностью от 4 МВт до 25 МВт;

К авиоприводным газотурбинным установкам относятся ГПА, где приводом нагнетателя является газовая турбина авиационного типа, специально реконструированная для использования на магистральных газопроводах. В настоящее время на газопроводах эксплуатируются установки типа ГПА-Ц-6,3, ГПА-Ц-6,3/76 и ГПА Ц-6,3/125 с двигателем НК-12СТ, выпускаемые Самарским моторостроительным объединением и Сумским машиностроительным объединением. Сумским машиностроительным объединением осуществляется сборка агрегата типа ГПА-Ц-16 с двигателем НК-16СТ.

К авиоприводным агрегатам относятся и установки импортного производства типа «Коберpа –182» с двигателем Эйвон 1534-1016 фирмы «Ролл-Ройс» (Великобритания») и «Центавр» фирмы «Солар» (США).

К судовым газотурбинным агрегатам следует отнести установки типа ГПУ-10 «Волна» с двигателем ДР-59Л, выпускаемые Николаевским судостроительным заводом и ДТ-90 (Украина).

В общей сложности на газопроводах на конец 2001 г. эксплуатировалось свыше 3 тыс. ГТУ различных типов и схем с общей установленной мощностью свыше 36 млн. кВт, что составляет около 85% общей установленной мощности компрессорных станций ОАО «Газпром».

Паспортные характеристики и количество газотурбинных установок различных типов, используемых в настоящее время на газопроводах характеризуются данными табл. 5.1 [12].

Типы газотурбинных установок, используемых на газопроводах

Анализ данных табл. 5.1 показывает, что ряд мощностей ГТУ, используемых на магистральных газопроводах ОАО «Газпром» изменяется в диапазоне от 2 до 25 мВт. Паспортный КПД, используемых агрегатов, изменяется в диапазоне 24-35 %, причем численное значение КПД агрегата обычно увеличивается с ростом его мощности.

Анализ опыта использования газотурбинных установок на магистральных газопроводах показывает, что в период развития и становления единой системы газоснабжения (ЕСГ) России, на газопроводах используется свыше двадцати различных типов этого вида привода центробежных нагнетателей, изготовленные различными заводами-изготовителями газовых турбин , что невольно приводило к рассогласованию в технологических, термодинамических и газодинамических показателях используемых установок.

В частности, это привело к тому, что среди эксплуатируемых газоперекачивающих агрегатов различной мощности, созданных в период 70-80 годов, частота вращения вала «силовая турбина – центробежный нагнетатель» изменяется в диапазоне 3700-8200 об/мин., нет единого подхода к обоснованию числа ступеней в силовых турбинах и центробежных нагнетателей исходя, например, из их нагруженности.

Все это в определенной степени свидетельствует о том, что в настоящее время ОАО «Газпром» при переходе от металлосберегающей технологии, что имело место в начальный период создания ЕСГ, к энергосберегающей, не имеет «своего» — основного типа газотурбинного энергопривода, в полной мере отвечающим требованиям энергосберегающей технологии транспорта газа. Получивший в свое время наибольшее распространение на газопроводах агрегат типа ГТК-10 в настоящее время требует реконструкции, хотя бы в части обоснования использования параметров регенеративного цикла установки и оценки использования на газопроводах подобных агрегатов в целом.

Стремление эксплуатационного персонала КС уменьшить расходы энергии на нужды перекачки газа приводят в целом ряде случаев к модернизации и реконструкции уже установленных агрегатов с целью улучшения их экономических показателей. Сюда прежде всего следует отнести перевод без регенеративных установок типа ГТН-25И и ГТН-10И для работы по регенеративному циклу, создание установок парогазового цикла типа «Бутек» на установках типа ГТА-Ц-6,3 и т.п.

В последние годы развитие энергосберегающих технологий газа при транспорте газа по газопроводам вновь привлекает внимание к обоснованию использования регенеративных ГТУ на газопроводах, сопоставлению без регенеративных и регенеративных агрегатов, возможности использования и других теплотехнических мероприятий, способствующих снижению энергозатрат на транспорт газа по газопроводам.

У каждого из указанных типов привода компрессорных станций имеются свои достоинства и недостатки, потенциальные возможности и ограничения по дальнейшему развитию.

К существенным преимуществам ГПА с газотурбинным типом привода следует отнести прежде всего высокую удельную мощность на единицу массы, возможность регулирования подачей технологического газа за счет изменения частоты вращения силовой турбины ГТУ, возможность использования перекачиваемого газа в качестве топлива, относительно малый расход воды и масла сравнительно, например с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, непосредственное вращательное движение и полная уравновешенность, что исключает необходимость в использовании мощных фундаментов, реальные возможности дальнейшего улучшения основных показателей ГТУ и, прежде всего, ее КПД.

К недостаткам большинства эксплуатируемых газотурбинных установок на газопроводах следует отнести относительно низкий их эффективный КПД и высокий уровень шума, особенно в районе воздухозаборной камеры ГТУ. Следует однако отметить, что газотурбинную установку на газопроводах необходимо рассматривать как агрегат, практически вырабатывающий два вида энергии: механическую на валу нагнетателя и тепловую в форме тепла отходящих газов, которую можно и нужно эффективно использовать для отопления служебных помещений КС в осенне-зимний период их эксплуатации и для других целей теплофикации.

В настоящее время заводы-изготовители ГПА с газотурбинным приводом осваивают производство газовых турбин нового поколения мощностью 6-25 мВт с КПД на уровне 32-36%. К таким агрегатам в первую очередь следует отнести ГПА типа ГТН-25-1, ГПА-Ц-6,3 с двигателем НК-14, ГПА-Ц-16 с двигателями АЛ-31, НК-38СТ и др. (табл. 5.2) [8].

Показатели перспективных газотурбинных установок нового поколения

Рассмотрение данных табл. 5.2 показывает, что и на ближайшую перспективу основными типами газотурбинного энергопривода на газопроводах останутся стационарные, судовые и авиационные агрегаты, причем последние будут использоваться все в большем и большем количестве.

Газоперекачивающие агрегаты: описание, устройство, принцип работы, отзывы

От первичной выработки до непосредственного использования газовые смеси проходят несколько технологических этапов. Для оптимизации транспортировки и промежуточного хранения между этими процессами сырье подвергается компрессорному сжатию. Технически подобные задачи реализуются газоперекачивающими агрегатами (ГПА) на разных узлах магистральных сетей.

Устройство и конструкция оборудования

Агрегат является многосоставным функциональным компонентом газопроводных линий. К его основным частям относятся компрессоры, вентиляторы и нагнетатели. В действие установка приводится двигателем, представленным электромотором или газовоздушной турбиной. К слову, диапазон мощностей газотурбинного газоперекачивающего агрегат в среднем варьируется от 4 до 25 МВт. Оборудование имеет специальное укрытие в модульном исполнении, которое защищает рабочую начинку от внешних воздействий. Каркас выполняется из высокопрочной листовой стали, имеющей технологические выходы. В качестве дополнительных функциональных блоков могут использоваться буферные хранилища, топливно-отводные каналы, системы выхлопа, отопительные и кондиционирующие модули. Система безопасности в обязательном порядке включает средства пожарной защиты, автоматику для аварийного отключения и датчики контроля отдельных параметров сети наподобие давления и температуры.

Принцип работы

Подключенный к магистрали агрегат после запуска приводной установки начинает вращение компрессора. Роторная крыльчатка устроена таким образом, что давление в процессе ее вращения повышается и воздух засасывается в компрессор. При необходимости коррекцию давления, а также кондиционирование и очистку воздуха выполняют подключенные вентиляторы. Сжатие транспортируемой смеси газоперекачивающие агрегаты реализуют в ходе адиабатического процесса, то есть без резкого повышения температурного режима (порядка 200 °C). Далее газовоздушная смесь поставляется в блок распределителя, в магистраль для дальнейшей доставки через патрубки с фильтрами или же в буферную зону хранения.

Агрегаты с поршневым компрессором

Традиционное исполнение ГПА, в котором используются двух- или четырехтактные двигатели, напрямую сопряженные с компрессорной установкой. По уровню поддерживаемого давления поршневые агрегаты разделяют таким образом:

• Системы низкого давления (до 2 МПа). Применяются на головных компрессорных узлах в составе транспортной сети, источником газового сырья в которых являются истощаемые месторождения.
• Системы среднего давления (в среднем 3-5 МПа). Задействуются преимущественно в инфраструктуре промежуточных станций в целях нормализации пропускных показателей газовых трубопроводных линий.
• Системы высокого давления (10-15 МПа). Используются для закачки сырья в подземные газохранилища на крупных компрессорных станциях.

К преимуществам поршневых газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом относят высокую степень технической надежности, ремонтопригодность и возможность применения в широких диапазонах с точки зрения показателей давления.

Центробежные агрегаты

Данное оборудование характеризуется более высокой производительностью порядка 20-30 млн м3/сут. и способностью сжимать газовоздушные смеси в 1,5-1,7 раза. Центробежные нагнетатели не имеют механических трущихся элементов, что продлевает их срок службы, исключая и потребность в регулярном использовании смазывающих жидкостей. Эта конструкционная особенность обуславливает равномерность потоков газа при высокой скорости без пульсаций. Если же говорить о слабых сторонах центробежных газоперекачивающих агрегатов, то высокая степень сжатия достигается только за счет последовательного соединения нескольких станций в один комплекс. Поэтому при высокой производительности увеличивается и расход топлива.

Система управления ГПА

Современные газоперекачивающие комплексы обеспечиваются автоматикой для контроля рабочих процессов и состояния функциональных модулей. В частности, реализуются следующие задачи:

• Регулировка нагнетателя по оборотам при подаче топливной смеси в двигатель.
• Регулировка с контролем минимально допустимых запасов по помпажу.
• Контроль аварийных состояний.
• Регуляция механических органов компрессора.
• Регистрация, обработка и вывод информации на диспетчерский дисплей.

Кроме того, эксплуатация газоперекачивающих агрегатов предусматривает контроль исправности и надлежащей настройки исполнительных средств, датчиков и линий связи. Для этого используются каналы ввода и вывода информации. В оборудовании прежних поколений все еще могут задействоваться аналоговые аппараты наподобие термопар и дискретных регуляторов.

Техническое обслуживание ГПА

На газоперекачивающих станциях действует регламент техобслуживания с комплексом работ, направленных на поддержание механики и программного обеспечения в работоспособном состоянии. В ходе ревизии агрегата проверяется конструкционная целостность, корректность функционирования исполнительных органов, оцениваются косвенные рабочие параметры, проводится диагностика систем и т. д. По результатам ревизии принимается решение о возможном ремонте газоперекачивающего агрегата с дефектоскопией эксплуатационных деталей и узлов. При капитальном ремонте может производиться замена изношенных элементов, восстановление конструкционных частей, сегментов маслопроводов и т. д. Мелкие ремонтные операции обычно связаны с восстановлением герметичности емкостей, устранением утечек и обновлением расходных материалов.

Отзывы о работе ГПА

Комбинация трубопроводных сетей и компрессорных установок по сей день считается оптимальным решением для оптимизации транспортировочных процессов применительно к нефтегазовому сырью. Как отмечают сотрудники предприятий в данной сфере, оборудование ГПА позволяет наращивать энергоэффективность магистральных линий, не снижая показатели надежности и безопасности при доставке топлива. Вместе с этим перечень функций газоперекачивающих агрегатов регулярно расширяется за счет той же автоматики, что позволяет экономить на организации вспомогательных пунктов контроля работы транспортной инфраструктуры. Что касается негативных отзывов, то они связаны с высокой стоимостью современных ГПА и технологической сложностью, требующей соответствующей квалификации от обслуживающего персонала.

Заключение

Последние годы нефтегазовая промышленность переживает этап отказа от технических средств, которые были запущены в эксплуатацию еще в 20 веке. Техническая инфраструктура приближается к предельным срокам службы, требуя обновления. Среди первых мест в этом списке занимают компрессорные станции. Нефтегазовые предприятия все активнее вводят в рабочий процесс газоперекачивающие агрегаты нового поколения, задействуя принципы компьютерного моделирования. В сочетании с новейшим инструментарием диспетчерского контроля это дает обширные возможности управления транспортировкой газа. Реальный эффект модернизации сегодня подтверждается фактическими данными по эксплуатационным характеристикам компрессорного оборудования и магистральных сетей.