Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть
В работе представлены основы методики анализа эффективности рабочего процесса газоперекачивающих агрегатов (ГПА) природного газа, оснащенных газотурбинными приводами, центробежными компрессорами (ЦК) с однокаскадным и двухкаскадным сжатием, системой охлаждения компримируемого газа, а также технологи...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99214 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть I / И.Н. Тертышный, С.А. Прилипко, Е.А. Мирошниченко, В.П. Парафейник // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/1. — С. 9-17. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860241736997011456 |
|---|---|
| author | Тертышный, И.Н. Прилипко, С.А. Мирошниченко, Е.А. Парафейник, В.П. |
| author_facet | Тертышный, И.Н. Прилипко, С.А. Мирошниченко, Е.А. Парафейник, В.П. |
| citation_txt | Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть I / И.Н. Тертышный, С.А. Прилипко, Е.А. Мирошниченко, В.П. Парафейник // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/1. — С. 9-17. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | В работе представлены основы методики анализа эффективности рабочего процесса газоперекачивающих агрегатов (ГПА) природного газа, оснащенных газотурбинными приводами, центробежными компрессорами (ЦК) с однокаскадным и двухкаскадным сжатием, системой охлаждения компримируемого газа, а также технологическим контуром и рядом вспомогательных систем. Анализ рабочего процесса агрегата как сложной энерготехнологической системы выполнен с учетом различного конструктивного исполнения и разнокачественных энергетических превращений в основных элементах агрегата. Используется эксергетический метод с применением I и II законов термодинамики и с соблюдением массового, мощностного и эксергетического балансов. В качестве показателя уровня термодинамического совершенства ГПА и его элементов применяется эксергетический КПД. Оценка величины потерь выполнена с использованием понятий эксергия «топлива» и «продукта». Потери эксергии разделяются на две составляющие: деструкция эксергии и потери эксергии, связанные с наличием теплового взаимодействия анализируемого элемента с окружающей средой. Анализ рабочего процесса агрегатов рассмотрен применительно к ГПА типа ТКА-Ц-6,3А мощностью 6,3МВт, создаваемых на основе газотурбинных двигателей типа Д-336 конструкции ЗМКБ «Ивченко-Прогресс», ЦК и других систем агрегата конструкции ПАО «Сумское НПО».
Наведені основи методики аналізу ефективності робочого процесу газоперекачувальних агрегатів (ГПА) природного газу, оснащених відцентровими компресорами (ВК) з одно- і двокаскадним стисненням. Методика розроблена на основі ексергетичного методу з використанням ексергетичного коефіцієнта корисної дії як показника рівня термодинамічної досконалості ГПА і його елементів. Оцінка величини втрат виконана з використанням понять ексергія «палива» і «продукт». Аналіз робочого процесу агрегата розглянуто стосовно ГПА типу ТКА-Ц-6,3А потужністю 6,3МВт, що створюються на основі двигунів типу Д-336 конструкції ЗМКБ «Івченко-Прогрес» і ВК конструкції ПАТ «Сумське НВО»
The analysis procedure for operating process efficiency of natural gas turbo-compressor packages (GPA) equipped with gas turbine drives, centrifugal compressors (CC) with single- and double-stage compression, cooling system of gas to be compressed, as well as process system and some auxiliary systems is presented in
this work. The package operating process analysis as a complex energo-technological system has been madetaking into account different designs and affine energy conversion in the main components of the package. It is
used the exergy method with the application of the I and II laws of thermodynamics and keeping mass, powerand exergy balances. Exergy efficiency is used as the index of thermodynamic sophistication level of GPA and its
component parts. Analysis of losses value has been made using the terms exergy of “fuel” and “product”. Exergylosses are divided into two components: exergy destruction and exergy losses connected with thermal interference
of analyzed element with ambient medium. The GPA operating process analysis has been considered asapplied to GPA of TCA-C-6,3A type with power 6,3 MW based on gas turbine engines of D-336 type designed by “Ivchenko-Progress” ZMBK, CC and other systems of the package designed by Sumy NPO PJSC.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:30:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 9
И. Н. Тертышный
С. А. Прилипко
Е. А. Мирошниченко
В. П. Парафейник,
д-р техн. наук
ПАО
«Сумское НПО»,
г. Сумы, е-mail:
tkm@frunze.com.ua
Ключові слова: дотиску-
вальний газоперекачуваль-
ний агрегат, відцентровий
компресор, втрати, ексе-
ргія, деструкція.
УДК 621.515
ВОПРОСЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
ДОЖИМНЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ
АГРЕГАТОВ С ГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ.
ЧАСТЬ I
Наведені основи методики аналізу ефективності робочого процесу газоперекачу-
вальних агрегатів (ГПА) природного газу, оснащених відцентровими компресора-
ми (ВК) з одно- і двокаскадним стисненням. Методика розроблена на основі ексе-
ргетичного методу з використанням ексергетичного коефіцієнта корисної дії як
показника рівня термодинамічної досконалості ГПА і його елементів. Оцінка ве-
личини втрат виконана з використанням понять ексергія «палива» і «продукт».
Аналіз робочого процесу агрегата розглянуто стосовно ГПА типу ТКА-Ц-6,3А
потужністю 6,3МВт, що створюються на основі двигунів типу Д-336 конструк-
ції ЗМКБ «Івченко-Прогрес» і ВК конструкції ПАТ «Сумське НВО».
Введение
Наибольшее распространение в составе компрессорных станций (КС) магистральных газо-
проводов (МГ) получили газотурбинные ГПА природного газа (п.г.) с односекционными (однокор-
пусными) центробежными компрессорами (ЦК) мощностью 6,3 (8); 10 (12,5); 16; 25 МВт. На такую
же мощность создаются дожимные турбокомпрессорные агрегаты (ТКА)
1
головных КС истощаю-
щихся месторождений п. г., а также агрегаты для компримирования нефтяного газа (н. г.).
Для оценки эффективности рабочего процесса агрегата в действующей нормативной доку-
ментации используются два показателя: эффективный КПД двигателя и политропный КПД компрес-
сора. Интегральный показатель эффективности ГПА как сложной энерготехнологической системы
(ЭТС), имеющей в своем составе различные системы, отсутствует [1]. В качестве интегрального по-
казателя эффективности ГПА при их эксплуатации может применяться показатель расхода топливно-
го газа (т.г.). Однако на предпроектной стадии работ, когда требуется, например, осуществлять срав-
нительный анализ эффективности энерготехнологических схем ТКА с различными газотурбинными
двигателями (ГТД) в составе привода, такой показатель эффективности не всегда удобный, а для со-
гласования характеристик двигателя и ЦК он вообще малопригоден. Таким образом, требуется про-
ведение исследований с целью создания инженерной методики анализа эффективности рабочего про-
цесса газотурбинных ГПА, оснащенных ЦК природного газа с многосекционным сжатием, а также
оценка их эффективности на различных режимах работы.
Состояние вопроса
ГПА – сложная ЭТС, особенностями работы которой являются процессы: превращения хими-
ческой энергии топливного газа (т.г.) в теплоту; трансформации теплоты в механическую энергию в
газогенераторе и силовой турбине ГТД; превращения механической энергии силовой турбины в по-
тенциальную энергию сжатого газа в ЦК.
При термодинамическом анализе рабочего процесса сложных ЭТС могут применяться, как
известно, энтропийный, энтропийно-статистический и эксергетический методы [2–6 и др.]. Эксерге-
тический метод анализа обладает тем преимуществом, что в отличие от энтропийного и энтропийно-
статистичекого методов позволяет осуществлять не только термодинамический, но и термоэкономи-
ческий анализ [6].
1
В практике работы СКБ ПАО «Сумское НПО» (далее СКБ ПАО) термин «ТКА» закрепился за агрегатами н.г.
и дожимными агрегатами, создаваемыми на основе многосекционных ЦК. В то же время такой термин в газо-
транспортном машиностроении является наиболее общим.
И. Н. Тертышный, С. А. Прилипко, Е. А. Мирошниченко, В. П. Парафейник, 2015
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 10
Одни из первых исследований, посвященные эксергетическому анализу эффективности энер-
гоустановки с ГТД, представлены в работах [5, 6]. Однако в указанных работах осуществляется ана-
лиз газотурбинных установок, применяемых в качестве привода электрогенераторов.
Оценка эффективности ЦК с использованием эксергетического метода выполнена в работах
[7, 8]. Однако в них компримируемая рабочая среда рассматривается как идеальный газ, что не соот-
ветствует практике создания компрессорного оборудования для углеводородных газов.
Анализу эффективности агрегатов и турбокомпрессорных установок (ТКУ) на основе ЦК уг-
леводородных газов, оптимизации режимов их работы посвящены работы [9, 10]. В работе [11] пред-
ставлены результаты анализа эффективности многокаскадных ЦК н.г. и ТКА н.г. на их основе. Одна-
ко в указанной работе не учитывались конструктивные особенности систем и узлов ЦК и его ГТП
(системы смазки, уплотнений, топливопитания, очистки циклового воздуха и другие) и не анализиро-
валось их влияние на эффективность ГПА (ТКА). Не оценивался также уровень потерь эксергии в
отдельных элементах ЭТС.
Цель исследования
Целью данного исследования является разработка методических основ термодинамического
анализа эффективности рабочего процесса газотурбинных ГПА п.г. с одно- и двухкаскадным ЦК с
различными проточными частями (ПЧ), имеющими различное конструктивное исполнение роторных
систем (бессмазочные, со смазкой, комбинированные)
2
, на основе эксергетического метода.
Объекты исследования
Объектами исследования являются энерготехнологические схемы дожимных компрессорных
агрегатов типа ТКА-Ц-6,3А, оснащаемые ЦК различного типа мощностью 6,3 МВт и создаваемые на
основе газотурбинных двигателей Д-336-2/1 конструкции ЗМКБ «Ивченко-Прогресс» (г.Запорожье).
Разработка методических основ анализа эффективности ГПА осуществляется с использовани-
ем экспериментальных данных по ГТД и другим системам, полученных в процессе натурных испы-
таний агрегата ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 [12].
Как было отмечено ранее, ГПА являются сложными ЭТС, укомплектованные ГТП, ЦК, сис-
темой охлаждения, а также технологическим контуром и рядом вспомогательных систем. Применяе-
мые ЦК могут быть выполнены в однокаскадном или двухкаскадном вариантах конструкции (рис.1).
Каскад сжатия состоит из секции сжатия (ССК), аппарата воздушного охлаждения (АВО) и сепарато-
ра (С). Следует отметить, что конструктивно ССК могут размещаться как в одном, так и в отдельных
корпусах сжатия компрессора. Корпуса сжатия могут быть спроектированы в масляном, комбиниро-
2
В комбинированной роторной системе ЦК применяются масляные опорный и опорно-упорный подшипники
скольжения и торцевые газодинамические уплотнения (ТГДУ) ротора (концевые).
КСК-1 КСК-2
АВО
С
АВО
ГТД
ССК ССК
Вход
газа
Выход
газа
а) б)
Рис. 1. Принципиальные схемы агрегатов типа ТКА-Ц-6,3А:
а) – с однокаскадным ЦК; б) – с двухкаскадным ЦК;
М – мультипликатор; КСК-1, КСК-2 – каскад сжатия компрессора; остальные обозначения в тексте
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 11
ванном или бессмазочном исполнении, а для обеспечения их работы применяются различные вспо-
могательные системы [13].
На основе выбранной схемы (рис. 1, а) может быть разработан агрегат для линейной КС, на-
пример ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 [12], или для дожимной КС типа ТКА-Ц-6,3А мощностью 6,3 МВт. С
учетом конструкции компрессора дожимной агрегат может быть выполнен с однокаскадным
(рис. 1, а) или двухкаскадным ЦК (рис. 1, б)
3
. В составе одного из агрегатов, созданного в СКБ ПАО
для ДКС, применен привод с мультипликатором и однокорпусным шестиступенчатым ЦК (рис. 1, а),
обеспечивающим: Рк = 7,68 МПа при частоте вращения n = 13000 об/мин; отношение давлений
πK = 4,37; массовую производительность 13,9 кг/с и политропный КПД 67%. В составе ГПА применя-
ется АВО газа с трубчаторебристыми теплообменниками; ГТД авиационного типа Д-336-2, имеюще-
го на расчетном режиме ηe = 31% (ISO 2314). Модификация дожимного ГПА с двухкаскадным ЦК на
те же параметры может быть создана без мультипликатора (n = 8200 об/мин, рис. 1, б). При этом в
составе первого каскада (КСК-1) используются секции сжатия с пятиступенчатой проточной частью
(ПЧ) на πK = 2,45, с политропным КПД 73,3%, АВО и С; в КСК-2 – пятиступенчатая ПЧ на πK = 1,84с
политропным КПД 65,2%, концевым АВО газа (рис. 1, б).
Следует отметить принципиально различные подходы к разработке анализируемых схем
ГПА. Первый вариант (рис. 1, а) исходит из требований эксплуатации: односекционный компрессор,
повышение давления в ЦК с 1,76 МПа до уровня, предусматриваемого технологией создания КС при
πK = 4,37, обеспечение температуры газа на выходе из АВО 313 К. Второй вариант схемы агрегата
предполагает выполнение тех же технологических требований с выполнением элементов оптимиза-
ции термодинамических параметров ЭТС. В данном случае на стадии выбора параметров ССК и АВО
необходимо дополнительно решать задачу анализа влияния параметров ССК-1 и промежуточного
АВО системы охлаждения на эффективность рабочего процесса ГПА. В связи с этим требуется опре-
делить не только интегральный показатель эффективности схемы ГПА (
ГПА
ехη ) и ее элементов, но и
суммарные энергозатраты при сравнительном анализе схем ГПА, а также установить потери эксергии
в отдельных элементах ГПА и экономию «топлива». Учитывая ограниченность объема данной пуб-
ликации, анализ эффективности схем ГПА выполняется для расчетных режимов работы.
Методические основы термодинамического анализа
Анализ эффективности рабочего процесса агрегатов осуществляется со следующими допуще-
ниями и условиями:
– температура циклового воздуха на входе в ГТД и технологического газа на входе в ЦК принимает-
ся равной 288 К;
– потери эксергии, вызванные тепловым взаимодействием между корпусами сжатия ЦК и окру-
жающей средой, не учитываются;
– изменениями температуры, вызванными массообменными процессами в сепараторах КСК, пре-
небрегаем;
– не учитываются потоки барьерного газа и разделительного воздуха в ТГДУ комбинированного
или бессмазочного исполнения;
– потери эксергии (механической мощности) в мультипликаторе учитываются при определении
мощности сжатия в ЦК;
– потери эксергии в технологическом контуре агрегата и отборы сжатого воздуха от осевого ком-
прессора газогенератора ГТД на нужды КС не учитываются;
– теплофикационный цикл в агрегатах на основе утилизаторов теплоты выхлопных газов (в. г.) не
осуществляется, что характерно для большинства эксплуатируемых агрегатов;
– в составе турбоблоков агрегатов применение электрогенератора собственных нужд не предусмат-
ривается;
– подача т. г. для работы ГТД обеспечивается автономным источником;
3
Расчет газодинамических характеристик проточной части (ПЧ) однокорпусного ЦК выполнен специалистами
СКБ ПАО под руководством В. В. Зимогляда. Проектирование ПЧ двухкорпусного ЦК выполнено авторами
работы при участии А. А. Мирошниченко.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 12
– в двухкаскадном дожимном ЦК мощность, потребляемая вспомогательными системами каждого
КСК, распределяется равномерно между каскадами сжатия.
Методика термодинамического анализа разрабатывается с использованием І и ІІ законов тер-
модинамики и с соблюдением массового, мощностного и эксергетического балансов при анализе
схем ГПА.
Выполнение эксергетического анализа, учитывая ограниченные возможности настоящей пуб-
ликации, рассмотрим на примере эксергетического баланса первых КСК анализируемых модифика-
ций ГПА (рис. 2, а, б).
При этом на входе в КСК поток эксергии (
КСК
∑Е ) будет выражен в виде суммы
ССК
∑Е и
АВО
ЭЕ – соответственно потоки термомеханической эксергии и эксергии электропотребителей, расхо-
дуемые при работе элементов в составе КСК. Такой подход позволяет получить уточненную зависи-
мость КПД секции сжатия и коэффициента преобразования потока эксергии в АВО (
АВО
ехσ ), а также
интегральное выражение для эксергетического КПД каскада сжатия, учитывающее работу вспомога-
тельных систем [10].
При формировании аналитической зависимости для определения интегрального эксергетиче-
ского КПД агрегата, а также его элементов используется известный подход [4, 9], на основе которого
∑ ∑
∑ ∑
= =
= =
−
−
=η
n
ni
n
ni
tri
n
ni
n
ni
tr
ех
i
i
ЕЕ
ЕЕ
вх
вых
i
, (1)
где∑
=
n
ni
iЕ
вх
, ∑
=
n
ni
iЕ
вых
– сумма потоков эксергии на входе и выходе соответственно; ∑
=
n
ni
tri
Е – поток
транзитной эксергии.
а) б)
Рис.2. Схема эксергетического баланса КСК при:
а) – односекционном сжатии; б) – двухсекционном сжатии;
КСК
КГЕ′ ,
ССК
КГЕ′ ,
АВО
КГЕ′ ,
С
КГЕ′ ,
КСК
КГ
Е ′′ ,
ССК
КГЕ ′′ ,
АВО
КГЕ ′′ ,
С
КГЕ ′′ – потоки эксергии компримируемого газа на входе и выходе КСК, ССК, АВО и С соответст-
венно;
ССК
СТЕ – мощность, потребляемая ССК;
ССКD ′′ ,
АВОD ′′ , D ′′ – диссипативные потери (деструкция) эксер-
гии в ССК, АВО и С.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 13
На основе выражения (1) эксергетический КПД секции сжатия ЦК с различным конструктив-
ным исполнением роторной системы (бессмазочная, со смазкой, с комбинированной системой) будет
иметь вид
ССК
П
вх
КГ
вых
КГССК
∑+
−
=η
ЕN
ЕЕ
ех , (2)
где
вх
КГЕ ,
вых
КГЕ – потоки эксергии газа на входе и выходе ССК соответственно; ПN – мощность, по-
требляемая ССК для компримирования рабочей среды;
ССК
∑Е – сумма механических и электрических
потоков эксергии, расходуемых при работе ССК (привод маслонасосов и вентиляторов).
Суммарный поток эксергии, потребляемый вспомогательными системами ССК различного
исполнения, определяется с учетом конструктивных особенностей бессмазочных, масляных и комби-
нированных роторных систем ЦК. В этом случае имеем уточненную формулу (2), в которой величина
ССКЕ∑ определяется с учетом конструктивных особенностей [13].
Зависимость для определения эксергетического КПД КСК в составе компрессора п.г. по ана-
логии с ЦК н. г. имеет вид [11]
( )АВОССК
ССКАВОСКСК λ+λ⋅η⋅σ⋅σ=η ехехехех , (3)
где
С
ехσ ,
АВО
ехσ – коэффициенты преобразования эксергии в сепараторе и АВО [10, 11];
ССК
ехη – эксергетиче-
ский КПД секции сжатия; ССКλ , АВОλ – доли затрат эксергии в ССК и АВО по отношению к распола-
гаемой эксергии на входе в КСК [10, 11].
Зависимость для определения эксергетического КПД двухкаскадного ЦК запишем как
∑
=
λ⋅η=λ⋅η+λ⋅η=η
2
1
КСК
КСК
КСК
КСК
КСК
КСКЦК
2
2
1
1
i
ехехехех i
i , (4)
где 1КСК
ехη , 2КСК
ехη – эксергетические КПД каскадов сжатия компрессора;
1КСКλ ,
2КСКλ – доли затрат
эксергии в каждом КСК по отношению к располагаемой эксергии на входе в ЦК.
Эксергетический КПД ГТП в общем случае при наличии в его составе утилизатора теплоты
выхлопных газов (УТВГ) имеет следующий вид [14]:
,
1
1
ТГ
Х
ТГ
ТТГ
ХТГ
ВГТГ
ВГ
ЦВ
ЦВУТСТ
ГТП
+⋅
⋅
+
−+
=η
е
е
еG
еG
е
е
GКN
ех (5)
где NCT – мощность силовой турбины ГТД; KУТ – коэффициент утилизации теплоты, отводимой от
ГТД с в. г.; GЦВ, GТГ – массовые расходы ц. в. и т. г. соответственно; eЦВ, eВГ – удельная эксергия по-
токов ц. в. и в. г. соответственно;
ТГ
Хе ,
ТГ
Те – удельная химическая и термомеханическая эксергия т. г.
перед дозатором топлива соответственно.
Уточненная зависимость (5) имеет вид
( )
,
1
1
Эл
ТГ
ХТГ
ВГТГ
ВГ
ЦВ
ЦВУТСТ
ГТП
∑
=
++δ+⋅
⋅
+
−+
=η
n
ni
Q
i
ех
ЕNеG
еG
е
е
GКN
(6)
где δ – величина, учитывающая соотношение химической и термомеханической эксергий т. г. на вхо-
де в дозатор т. г. ГТД; ∑
=
n
ni
i
NЭл – затраты электрической мощности на функционирование системы
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 14
ГТП (УТВГ, системы ГТД), а также в специальной компрессорной установке т. г.; EQ – затраты эксер-
гии на подогрев т. г. в системе его подготовки.
С учетом особенностей схем дожимных агрегатов эксергетический КПД агрегата в общем ви-
де может быть определен с использованием известного выражения [10, 11]
( )[ ] ( )СВ
II
ЭГЭГ
II
УТВГУТВГ
II
ЦКЦК
II
ГТП
I
ГТПГТП
I
ГПА
1 λ+η⋅λ+η⋅λ+η⋅λ⋅λ−+η⋅λ=η ехехехехех , (7)
где
ГТП
ехη ,
ЦК
ехη ,
УТВГ
ехη ,
ЭГ
ехη – эксергетические КПД ГТП, ЦК, УТВГ, электрогенератора соответствен-
но;
ГТП
Iλ ,
ЦК
IIλ ,
УТВГ
IIλ ,
ЭГ
IIλ ,
СВ
IIλ – доли затрат эксергии в ГТП, ЦК, УТВГ, ЭГ (в случае, если привод
генератора осуществляется от СТ) и сжатого воздуха в ГТД.
Индексы І и ІІ присваиваются с учетом структуризации ЭТС на энергопроизводящие (І) и
энергопотребляющие (ІІ) подсистемы [9].
Применительно к анализируемой схеме агрегата с однокорпусным ЦК п. г. (рис. 1, а) выраже-
ние (7) будет иметь вид
( )[ ] ЦКГТП
I
ГТПГТП
I
ГПА
1 ехехех η⋅λ−+η⋅λ=η , (8)
где
ЦКГТП
ЭлТГ
ГТП
ЭлТГГТП
I
∑++
+
=λ
ЕЕЕ
ЕЕ
– доля располагаемой эксергии на входе в ГТП в общем потоке эксергии
на входе в агрегат (с учетом ЦК);
ЦК
∑Е – потоки эксергии, используемые при работе ЦК.
Таким образом, с точки зрения основных положений метода потоков при эксергетическом
анализе ГПА критерием, который однозначно характеризует эффективность как элементов, так и
схемы дожимного агрегата в целом, является эксергетический КПД. Согласно современным воззре-
ниям этот критерий используется для сравнения подобных элементов схемы, которые характеризу-
ются однотипными процессами преобразования энергии в элементах, «…работающих в аналогичных
условиях в пределах одной системы или в различных системах» [15]. Следует отметить, что недос-
татком методологии, при которой степень термодинамического совершенства анализируемой ЭТС
или ее элементов оценивается только с применением эксергетического КПД является то, что он не
показывает, какая доля эксергии, подведенной в виде энергоносителей к ЭТС, теряется в анализируе-
мом элементе. Отсутствует также возможность сравнивать различные элементы ГПА по этому пока-
зателю.
Для сравнительного анализа эффективности неподобных элементов ГПА, анализа потерь эк-
сергии, возникающих в связи с конструктивным несовершенством элементов, целесообразно исполь-
зовать понятия эксергии «топлива», эксергии «продукта», а также деструкции потока эксергии [15–
18].
В связи с этим с использованием некоторых методических положений вышеуказанных работ
введем ряд зависимостей, позволяющих определять основные эксергетические потоки и величину
потерь.
Абсолютные потери эксергии при реализации рабочего процесса ГПА будем определять со-
гласно зависимости
i
p
i
f
i
ЕЕЕ −=∆ , (9)
где
i
fЕ – потоки эксергии «топлива» на входе в анализируемый элемент агрегата (
ГТП
fЕ ,
ССК
fЕ ,
АВО
fЕ ,
КСК
fЕ ,
ЦК
fЕ );
i
pЕ – общий поток эксергии «продукта» на выходе из анализируемого элемента (
ГТП
рЕ ,
ССК
рЕ ,
АВО
рЕ ,
КСК
рЕ ,
ЦК
рЕ ).
Величина относительных потерь эксергии в элементах устанавливается с использованием вы-
ражения
i
f
ii
ЕЕЕ ∆=δ .
Поток эксергии «топлива» в агрегате выражается в виде потоков «топлива», приходящихся на
долю основных систем агрегата (ГТП и ЦК).
Величина составляющих потоков эксергии «топлива» определяется
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 15
ГТП
ЭлТГ
ГТП
ЕЕЕ f ∑+= ; (10)
ЦК
ЭлП
ЦК
ЕNЕ f ∑+= , (11)
где ТГЕ – поток эксергии на входе в дозатор т. г. ГТД;
ГТП
ЭлЕ∑ ,
ЦК
ЭлЕ∑ – сумма потоков эксергии
электропотрибителей в составе ГТП и ЦК; NП – поток эксергии, соответствующий мощности потреб-
ляемой в ЦК на сжатие газа.
Потоки эксергии «продукта» в ГПА, т. е. ЦК в его составе, для анализируемых схем агрегатов
определяются как
вх
КГ
вых
КГ
ЦКГПА
ЕЕЕЕ рр −== при отсутствии, как и предполагалось, утилизации тепло-
ты в. г. и отбора сжатого воздуха от ГТД на нужды ГПА и компрессорной станции.
В соответствии с современными воззрениями эксергетические потери можно разделить на две
составляющие: деструкция эксергии (exergy destruction – Ed) и потери эксергии, связанные с наличи-
ем теплового взаимодействия анализируемого элемента с окружающей средой (exergy losses – El).
Таким образом, полные потери эксергии в любом анализируемом элементе при использовании поня-
тия деструкции можно выразить, как в [16–18]
i
l
i
d
i ЕЕЕ −=∆ , (12)
где
i
dЕ – деструкция эксергии, вызванная необратимостями при внешнем и внутреннем взаимодейст-
вии потоков;
i
lЕ – потери эксергии, обусловленные тепловым взаимодействием элемента системы с
окружающей средой.
На основе уравнения (16) целесообразно анализировать потери эксергии во всех системах
ГПА, в частности, в элементах каскада сжатия компрессора: ССК, АВО и С. Однако следует учиты-
вать особенности рабочего процесса в каждом из элементов КСК, исходя из структуры его потерь (Ed
и El).
Уровень деструкции эксергии в ССК (
ССК
dЕ ) обусловлен совершенством ее ПЧ и при некото-
рых допущениях соответствует величине ССКЕ∆ , определяемой уравнением (12). Корпус сжатия ЦК
как совокупность ССК, подшипников и уплотнений, а также других вспомогательных систем имеет
три механизма теплового взаимодействия с окружающей средой:
− отвод теплоты, образующейся при сжатии газа, в АВО с использованием вентиляторов систем ох-
лаждения;
− отвод теплоты, возникающей из-за механических потерь в подшипниках и уплотнениях при рабо-
те маслосистемы за счет охлаждения нагретого масла в блоке маслоохладителей;
− отвод теплоты, образующейся в процессе компримирования газа в ПЧ теплоизлучением, а также
за счет конвективного теплообмена между корпусом и окружающей средой.
Частичный учет тепловой составляющей потерь эксергии для ЦК со смазкой осуществляется
при составлении уравнения баланса эксергии с учетом мощности электропривода маслонасосов и
вентиляторов блока маслоохладителей (см. уравнение 2). При создании бессмазочных ЦК поток теп-
лоты, возникающей в электромагнитных подшипниках и газодинамических уплотнениях, практиче-
ски исключается.
Анализ величины потерь эксергии в связи с наличием теплоотвода через корпус сжатия пред-
ставляет значительную сложность в связи с ограниченностью экспериментальных данных по термо-
метрированию корпусов сжатия ЦК различной конструкции при различных πK.
При анализе особенностей рабочего процесса сепараторов в составе КСК-1 двухкорпусной
модификации ЦК (рис. 1) следует учитывать отсутствие конденсатообразования при компримирова-
нии п. г. и незначительный уровень гидравлических потерь в сепараторе. В связи с этим, исходя из
допущения об изотермичности процесса сепарации п. г. в КСК дожимных ГПА, можно предположить
незначительный уровень полных потерь эксергии в данном элементе. В частности, для вихревых се-
параторов н.г. конструкции ПАО согласно работе [19] уровень эксергетического КПД составляет
0,99–0,999 в зависимости от режима работы ТКА.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 16
При анализе потерь эксергии в АВО следует иметь в виду, что потери в теплообменных аппа-
ратах (ТА), создаваемых на основе оребренных трубчатых поверхностей, имеют две составляющие,
структура которых определяются уравнением (12)
АВОАВОАВО
ld ЕЕЕ −=∆ , (13)
где
АВОЕ∆ – полные потери эксергии, определяемые по параметрам охлаждаемого газа на входе и
выходе ТА в составе АВО;
АВО
dЕ – деструкция эксергии (внутренние и внешние необратимости в
АВО);
АВО
lЕ – потери, обусловленные охлаждением компримируемого газа в ТА.
При этом составляющие потерь определяются как
АВОАВОАВО
ld ЕЕЕ −∆= ; (14)
ср
АВО
ср
АВО
АВО
выхвх
ЕЕЕl −= , (15)
где
ср
АВОвх
Е ,
ср
АВОвых
Е – соответственно потоки эксергии на входе и выходе ТА, определяемые по из-
вестным зависимостям с использованием усредненных значений давления в аппарате и действитель-
ных значений температуры газа.
Для определения деструкции эксергии в ГПА, которая является совокупностью систем и эле-
ментов, целесообразно использовать зависимость, полученную с использованием уравнений (9) и (12)
i
l
i
p
i
f
i
d ЕЕЕЕ −−= . (16)
Применительно к ГПА суммарная деструкция определяется как
ГПАГПАГПАГПА
lpfd ЕЕЕЕ −−= , (17)
где
ГПА
lЕ – потери эксергии, обусловленные тепловым взаимодействием системы и элементов ГПА с
окружающей средой, а величины
ГПА
fЕ и
ГПА
pЕ в анализируемых агрегатах определяются, соответст-
венно, как
ГПАГПА
ЭлТГf ЕЕЕ ∑+= (
ГПА
ЭлЕ∑ – мощность потребляемая агрегатом при работе на магист-
раль); величина
ГПА
pЕ определяется как разность потоков эксергии компримируемого газа на выходе
и входе ГПА.
С использованием вышеизложенных методических основ термодинамического анализа эф-
фективности агрегатов, их систем и элементов во второй части статьи будут представлены результа-
ты эксергетического анализа схем дожимных ГПА и влияния основных технологических элементов
на эффективность рабочего процесса агрегата.
Список литературы
1. Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам / СТО Газпром 2-3.5-138-2007. –
ООО «ВНИИгаз». ОАО «Газпром», М., 2007. – 63 с.
2. Мартыновский, В. С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. – М.: Энергия, 1979. – 285 с.
3. Архаров, А. М. Основы энтропийно-статистического анализа реальных энергетических потерь в низкотемпе-
ратурных и высокотемпературных и машинах и установках / А. М. Архаров, В. В. Сычев // Холодильная
техника. – 2005. – № 12. – С. 14–23.
4. Бродянский, В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек. –
М.: Энергоиздат, 1988. – 288 с.
5. Эльснер, Н. Составление эксергетического баланса газотурбинной установки / Н. Эльснер, В. Фратшер //
Вопр. термодинамического анализа (эксергетический метод). – М.: Мир, 1965. – 245 с.
6. Бэр, Г. Д. Техническая термодинамика. – М.: Мир, 1977. – 518 с.
7. Цейтлин, Ю. А. Пневматические установки шахт / Ю. А. Цейтлин, В. А. Мурзин. – М.: Недра, 1985. – 351 с.
8. Андреев, Л. П. Определение КПД газовых механических нагнетателей / Л. П. Андреев, В. Р. Никульшин //
Пром. теплотехника. – 1996. – Т. 18. №4. – С. 33–35.
9. Анализ обобщенной схемы комплексной энерготехнологической установки углеводородных газов на основе
эксергетического метода / В. П. Парафейник, С. Д. Фролов, И. И. Петухов [и др.] // Пром. теплотехника. –
2002. – Т. 24, № 5. – С. 63–68.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 17
10. Парафейник, В. П. Научные основы проектирования блочно-комплектных турбокомпрессорных агрегатов и
установок с газотурбинным приводом / В. П. Парафейник // Удосконалювання турбоустановок методами
математичного і фізичного моделювання: Зб. наук. пр. – Харків., 2003. – С. 36–46.
11. Метод оценки термодинамического совершенства рабочего процесса многокаскадного центробежного ком-
прессора нефтяного газа / В. П. Парафейник, Ю. С. Бухолдин, И. И. Петухов и др. // Компрес. техника и
пневматика в ХХI веке: Тр. тринадцатой междунар. науч.-техн. конф. по компрессоростроению. –Сумы:
Сумск. ун-т. – 2004. – Т. 1. – С. 201–211.
12. Технический отчет по результатам заводских испытаний стендового агрегата ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 с двигате-
лем Д-336 на блоке испытательных стендов Сумского НПО им. М.В. Фрунзе. – 1991. – 150 с.
13. Анализ эффективности центробежного компрессора как сложной энерготехнологической системы /
И. Н. Тертышный, В. П. Парафейник, А. Н. Нефедов, С. А. Рогальский // Компрес. и энерг. машиностроение.
– 2014. – № 4 (38). – С. 6–10.
14. Парафейник, В. П. Системный подход к анализу режима работы газотурбинного привода турбокомпрессор-
ного агрегата / В. П. Парафейник // Пром. теплотехника. – 2006. – Т. 28, № 3. – С. 54–61.
15. Системно-структурный анализ парокомпрессорных термотрансформаторов / Ю. М. Мацевитый, Э. Г. Бра-
тута, Д. Х. Харлампиди, В. А. Тарасова. – Ин-т пробл. машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украи-
ны. – Харьков: 2014. – 269 с.
16. Морозюк, Т. В. Новый этап в развитии эксергетического анализа / Т. В. Морозюк // Холодильная техника и
технология. – 2014. – № 4 (150). – С. 13–14.
17. Morosuk, T. New approach to the exergy analysis of refrigeration machines / T. Morosuk, G. Tsatsaronis // Energy.
– 2008. – Vol. 33. – P. 890–907.
18. Термоэкономический подход к диагностике холодильных машин и тепловых насосов / Э. Г. Братута,
В. А. Тарасова, Д. Х. Харлампиди, А. В. Шерстюк // Холодильная техника и технология. – 2013.– № 5 (145).
– С. 39–44.
19. Парафейник, В. П. Термодинамическая эффективность и особенности проектирования сепараторов углево-
дородной смеси для компрессорных установок нефтяной промышленности / В. П. Парафейник // Химич. и
нефт. машиностроение. – 1996. – № 4. – С. 42–47.
Поступила в редакцию 15.10.15
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99214 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:30:34Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Тертышный, И.Н. Прилипко, С.А. Мирошниченко, Е.А. Парафейник, В.П. 2016-04-24T18:13:00Z 2016-04-24T18:13:00Z 2015 Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть I / И.Н. Тертышный, С.А. Прилипко, Е.А. Мирошниченко, В.П. Парафейник // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/1. — С. 9-17. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99214 621.515 В работе представлены основы методики анализа эффективности рабочего процесса газоперекачивающих агрегатов (ГПА) природного газа, оснащенных газотурбинными приводами, центробежными компрессорами (ЦК) с однокаскадным и двухкаскадным сжатием, системой охлаждения компримируемого газа, а также технологическим контуром и рядом вспомогательных систем. Анализ рабочего процесса агрегата как сложной энерготехнологической системы выполнен с учетом различного конструктивного исполнения и разнокачественных энергетических превращений в основных элементах агрегата. Используется эксергетический метод с применением I и II законов термодинамики и с соблюдением массового, мощностного и эксергетического балансов. В качестве показателя уровня термодинамического совершенства ГПА и его элементов применяется эксергетический КПД. Оценка величины потерь выполнена с использованием понятий эксергия «топлива» и «продукта». Потери эксергии разделяются на две составляющие: деструкция эксергии и потери эксергии, связанные с наличием теплового взаимодействия анализируемого элемента с окружающей средой. Анализ рабочего процесса агрегатов рассмотрен применительно к ГПА типа ТКА-Ц-6,3А мощностью 6,3МВт, создаваемых на основе газотурбинных двигателей типа Д-336 конструкции ЗМКБ «Ивченко-Прогресс», ЦК и других систем агрегата конструкции ПАО «Сумское НПО». Наведені основи методики аналізу ефективності робочого процесу газоперекачувальних агрегатів (ГПА) природного газу, оснащених відцентровими компресорами (ВК) з одно- і двокаскадним стисненням. Методика розроблена на основі ексергетичного методу з використанням ексергетичного коефіцієнта корисної дії як показника рівня термодинамічної досконалості ГПА і його елементів. Оцінка величини втрат виконана з використанням понять ексергія «палива» і «продукт». Аналіз робочого процесу агрегата розглянуто стосовно ГПА типу ТКА-Ц-6,3А потужністю 6,3МВт, що створюються на основі двигунів типу Д-336 конструкції ЗМКБ «Івченко-Прогрес» і ВК конструкції ПАТ «Сумське НВО» The analysis procedure for operating process efficiency of natural gas turbo-compressor packages (GPA) equipped with gas turbine drives, centrifugal compressors (CC) with single- and double-stage compression, cooling system of gas to be compressed, as well as process system and some auxiliary systems is presented in
 this work. The package operating process analysis as a complex energo-technological system has been madetaking into account different designs and affine energy conversion in the main components of the package. It is
 used the exergy method with the application of the I and II laws of thermodynamics and keeping mass, powerand exergy balances. Exergy efficiency is used as the index of thermodynamic sophistication level of GPA and its
 component parts. Analysis of losses value has been made using the terms exergy of “fuel” and “product”. Exergylosses are divided into two components: exergy destruction and exergy losses connected with thermal interference
 of analyzed element with ambient medium. The GPA operating process analysis has been considered asapplied to GPA of TCA-C-6,3A type with power 6,3 MW based on gas turbine engines of D-336 type designed by “Ivchenko-Progress” ZMBK, CC and other systems of the package designed by Sumy NPO PJSC. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Энергетическое машиностроение Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть Thermodynamic Analysis Issues of Operating Process Efficiency for Booster Turbo-Compressors with Gas Turbine Drive. Part I. Article published earlier |
| spellingShingle | Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть Тертышный, И.Н. Прилипко, С.А. Мирошниченко, Е.А. Парафейник, В.П. Энергетическое машиностроение |
| title | Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть |
| title_alt | Thermodynamic Analysis Issues of Operating Process Efficiency for Booster Turbo-Compressors with Gas Turbine Drive. Part I. |
| title_full | Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть |
| title_fullStr | Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть |
| title_full_unstemmed | Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть |
| title_short | Вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Часть |
| title_sort | вопросы термодинамического анализа эффективности рабочего процесса дожимных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. часть |
| topic | Энергетическое машиностроение |
| topic_facet | Энергетическое машиностроение |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99214 |
| work_keys_str_mv | AT tertyšnyiin voprosytermodinamičeskogoanalizaéffektivnostirabočegoprocessadožimnyhgazoperekačivaûŝihagregatovsgazoturbinnymprivodomčastʹ AT prilipkosa voprosytermodinamičeskogoanalizaéffektivnostirabočegoprocessadožimnyhgazoperekačivaûŝihagregatovsgazoturbinnymprivodomčastʹ AT mirošničenkoea voprosytermodinamičeskogoanalizaéffektivnostirabočegoprocessadožimnyhgazoperekačivaûŝihagregatovsgazoturbinnymprivodomčastʹ AT parafeinikvp voprosytermodinamičeskogoanalizaéffektivnostirabočegoprocessadožimnyhgazoperekačivaûŝihagregatovsgazoturbinnymprivodomčastʹ AT tertyšnyiin thermodynamicanalysisissuesofoperatingprocessefficiencyforboosterturbocompressorswithgasturbinedriveparti AT prilipkosa thermodynamicanalysisissuesofoperatingprocessefficiencyforboosterturbocompressorswithgasturbinedriveparti AT mirošničenkoea thermodynamicanalysisissuesofoperatingprocessefficiencyforboosterturbocompressorswithgasturbinedriveparti AT parafeinikvp thermodynamicanalysisissuesofoperatingprocessefficiencyforboosterturbocompressorswithgasturbinedriveparti |