Анализ технико-экономических факторов применения аппаратов воздушного охлаждения газа на дожимных компрессорных станциях

Автор: О.В. Крюков (НГТУ им. Р.Е. Алексеева).

Опубликовано в журнале Химическая техника №7/2018

Надежная и энергоэффективная работа магистральных газопроводов (МГ) с учетом 60-летнего опыта их эксплуатация зависит от строгого соблюдения оптимальных показателей каждого локального объекта компрессорных станций (КС) [1–4]. Это в значительной степени определяется совершенством существующего парка газоперекачивающих агрегатов (ГПА) [5–8] и аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа [9–12], которые в совокупности являются основными технологическими агрегатами КС (рис. 1).

Охлаждение технологического газа можно осуществить в холодильниках различных систем и конструкций: кожухотрубных (типа «труба в трубе»), воздушных компрессионных и абсорбирующих машинах, различного типа градирнях, воздушных холодильниках и т.д. Наибольшее распространение на КС получили схемы с использованием АВО газа, где глубина охлаждения газа ограничена температурой наружного воздуха, что особенно сказывается в летний период эксплуатации [1, 13–16]. Естественно, что температура газа после охлаждения в АВО не может быть ниже температуры наружного воздуха.

Взаимное расположение теплообменных секций и вентиляторов для прокачивания воздуха практически и определяет конструктивное оформление АВО. Теплообменные секции АВО могут располагаться горизонтально, вертикально, наклонно, зигзагообразно, что и определяет компоновку аппарата (рис. 2).

В целом же в России и за рубежом АВО газа успешно эксплуатируются в различных отраслях: трубопроводном транспорте, нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности, коксохимической, газодобывающей и др.

АВО общего назначения относятся к эффективному и относительно дешевому теплообменному оборудованию охлаждения газообразных сред, жидкостей, конденсирования паровых и парожидкостных средств, а также энергоносителей в технологических процессах с давлением среды от 0,6 до 10 МПа или под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па, температурой не выше 400°С и вязкостью на выходе до 5*10–5м/с2.

На рис. 3 приведена конструкция типичного аппарата воздушного охлаждения. На сварной раме 1 размещены теплообменные секции 2. Они состоят из пучка поперечно-оребренных труб. Снизу к раме прикреплен диффузор 3 и коллектор 4, в центре которого расположен осевой вентилятор 5. Вентилятор вместе с осевым редуктором и электродвигателем 7 смонтированы на отдельной раме 8. Для повышения эффективности работы в конструкции АВО могут устанавливаться распыляющие форсунки 9, автоматически включающиеся при повышении температуры окружающей среды.

Анализ технических решений систем электроснабжения АВО газа

Для серийно выпускаемых отечественной промышленностью АВО основным показателем энергоэффективности и надежности их работы является энергоемкость, определяемая минимизацией затрат электроэнергии при эксплуатации. Как правило, электроснабжение АВО газа выполняется по радиальной схеме: комплектная трансформаторная подстанции – распределительное устройство низкого напряжения – шкаф питания и управления электродвигателем вентилятора» [1, 9, 17].

Построение схемы электроснабжения АВО газа осуществляется на основании СТО Газпром 2-6.2-149–2007 «Категорийность электроприемников промышленных объектов ОАО «Газпром»» и «Правил устройства электроустановок» с питанием по второй категории надежности [18–20].

Рассмотрим три варианта построения схем электроснабжения и управления электродвигателями вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа:

• плавный пуск на каждый двигатель вентилятора АВО газа (рис. 4);
• частотный регулируемый привод (ЧРП) на каждый двигатель вентилятора в АВО газа (рис. 5);
• комбинированный способ управления – ЧРП на два двигателя вентиляторов и плавный пуск остальных двигателей (рис. 6).

Прямой пуск асинхронного двигателя вентилятора не рассматривается, поскольку ведет к большим пус-ковым токам и колебаниям сети (рис.7), уменьшает возможность запуска нескольких электродвигателей вентиляторов АВО газа одновременно и снижает ресурс коммутационной аппаратуры.

Технико-технологический анализ рассмотренных схем показывает:

1. Применение устройств плавного пуска (УПП) позволяет ограничить пиковые механические нагрузки как двигателя, так и вентилятора; выполнить мягкий, без толчков пуск; ограничить пусковой ток; повысить коэффициент мощности; экономить энергию при работе двигателя в ненагруженном режиме; исключить пики тока при переключении; отказаться от контакторов и производить коммутацию в отсутствии тока;
2. Индивидуальное частотное регулирование привода позволяет осуществлять более гибкое (по сравнению с групповым и дискретным) управление процессом охлаждения на всей теплообменной поверхности без вмешательства оператора. Использование частотных регуляторов обеспечивает плавные пуски электродвигателей, которые устраняют пусковые токи и перегрузки, что позволит увеличить ресурс двигателей, а также снижает потребление электроэнергии. Следует также отметить, что использование частотных регуляторов обеспечивает автоматическое поддержание заданной температуры газа с высокой точностью (не ниже 0,2 °С). Кроме того, за счет использования всей теплообменной поверхности в процессе охлаждения достигается более равномерное распределение тепловых нагрузок по аппарату.Достоинствами применения частотного регулирования приводом (ЧРП) также является полное использование площади поверхности теплообмена; сокращение периодических прямых пусков асинхронных двигателей от сети, что повышает их ресурс; экономия потребляемой электроэнергии; защита и постоянный мониторинг параметров работы каждого отдельного электродвигателя и диагностирование состояния подводящей сети; возможность контроля сопротивления изоляции подводящих кабелей; возможность автоподстройки ЧРП в соответствии с индивидуальными характеристиками двигателей; своевременное автоматическое отключение двигателей в предаварийных ситуациях.

   Применение индивидуальной системы ЧРП характеризуется минимальным количеством коммутационного оборудования, что определяет высокую эксплуатационную надежность системы, простоту и удобство ее обслуживания;

3. Комбинированная система управления – устройство плавного пуска и частотно-регулируемый привод вентилятора совмещает все положительные качества первых двух схем. Данную систему управления целесообразно применять для оборудования АВО газа ЧРП ориентировочно на 20 %.

Комбинированный способ управления также позволяет эффективно регулировать технологические параметры; экономить электроэнергию; при этом кроме эффективного и экономичного регулирования снижают общую аэродинамическую нагрузку вентилятора и механизмов привода.

В соответствии с нормативными документами газовой промышленности и «Техническими требованиями на проектирование…» для охлаждения газа в составе компрессорного цеха на каждой ступени компримирования предусматриваются комплектные установки воздушного охлаждения газа (УВОГ-1 для ГПА 1-й группы, УВОГ-2 для ГПА 2-й группы) на базе аппаратов АВГБС-83 единичной площадью поверхности теплообмена 10 500 м2 и шесть электродвигателей мощностью по 13 кВт каждый.

Например, УВОГ-2 состоит из 15 АВО (ВХ-2-1…2-15) и предназначена для охлаждения газа после 1-й ступени компримирования, УВОГ-1 состоит из 12 АВО (ВХ-1-1…1-12) и предназначена для охлаждения газа после 2-й ступени компримирования. Для охлаждения газа пускового контура в составе каждой из установок предусмотрены по два комплекта АВО.

Необходимая температура газа на выходе из установок воздушного охлаждения для дожимных КС обусловлена температурой точки росы отсепарированного пластового газа, а также максимально допустимой температурой газа на всасывании ГПА последующих ступеней компримирования и составляет в зависимости от температуры наружного воздуха:

• на выходе из УВОГ-2 – плюс 18…20 °С (до плюс 39°С при температуре воздуха плюс 35°С);
• на выходе из УВОГ-1 – плюс 18…37 °С (до плюс 43°С при температуре воздуха плюс 35°С).

Поддержание температуры газа после охлаждения на заданном уровне позволяет обеспечивать положительные температуры газа в нижних рядах АВО и исключить образование гидратов и льда в трубных пучках.

АВО, как правило, дополнительно комплектуются жалюзийными устройствами, расположенными по периметру (боковые жалюзи) и сверху каждого АВО («потолочные» жалюзи). Изменение положения «потолочных» жалюзи позволяет осуществлять регулирование температуры охлаждающего воздуха в зимнее время при температуре воздуха минус 20°С. Необходимая температура воздуха обеспечивается посредством смешения холодного атмосферного воздуха с воздухом, нагретым после прохождения его через теплообменные секции, путем частичной внутренней рециркуляции нагретого воздуха. Степень рециркуляции нагретого воздуха зависит от температуры атмосферного воздуха и положения «потолочных» жалюзи.

Боковые жалюзийные устройства разделены на две части по высоте. Нижняя часть предназначена для защиты внутреннего пространства установки от снега и открывается только в летний период эксплуатации. Изменение положения створок верхней части боковых жалюзи осуществляется в зависимости от температуры окружающего воздуха в ручном и автоматическом режимах, дистанционно с пульта ДКС и по месту. Управление «потолочными» жалюзи осуществляется только с площадки обслуживания АВО.

Техническая характеристика аппаратов воздушного охлаждения газа

Техническая характеристика аппаратов типа АВГБС-83

Анализ экономических аспектов применения АВО газа

Проанализируем стоимость применяемого оборудования на УВОГ при различных вариантах построения систем АВО газа.

Стоимость применяемого оборудования на УВОГ при различных вариантах построения систем воздушного охлаждения газа представлена в табл. 1, 2.

Таблица 1

УВОГ-1 (12 АВО газа в каждом по шесть асинхронных двигателей)

Таблица 2

УВОГ-2 (15 АВО газа в каждом по шесть асинхронных двигателей)

Данные расчеты проведены по единым ценовым показателям без оценки стоимости коммутационной аппаратуры и без учета применения машин специальной конструкции с датчиками температуры и вентилятором охлаждения. В реальных условиях это обусловлено тем, что при уменьшении частоты вращения до 20–30 % номинальной растет нагрев обмоток и появляется вибрация.

Рассмотрим пример анализа алгоритма работы УВОГ-1 и УВОГ-2 на дожимной КС и режим работы АВО газа по годам. Часть технологической схемы установки охлаждения газа №1 представлена на рис. 8.

Алгоритмы включения установок охлаждения газа в работу определяются соответствующими режимами:

• плавный (с использованием ЧРП или УПП) пуск двигателей вентиляторов для всех режимов;
• поочередный (последовательный) пуск двигателей АВО. Плавные пуски двигателей осуществляются от первого ряда по ходу газа до третьего ряда вентиляторов в следующем порядке:– 1 ряд – АВО-1-1…1-12 двигатели №1-1, №1-2;– 2 ряд – АВО-1-1…1-12 двигатели №2-1, №2-2;

  – 3 ряд – АВО-1-1…1-12 двигатели №3-1, №3-2.

При расчетной температуре окружающего воздуха (18°С) и выше работают все ряды вентиляторов каждого АВО установки.

В холодное время года регулирование температуры газа осуществляется посредством частотного регулирования частоты вращения вентиляторов, а также за счет внутренней частичной рециркуляции нагретого воздуха.

Для УВОГ-1 возможен режим работы: по основному потоку с применением 11 агрегатов, по пусковому контуру с использованием 1 агрегата АВО.

Летний режим работы установки (tокр.воздуха 5°С):

• основной поток газа – в зависимости от изменения температуры окружающего воздуха автоматическое поддержание температуры газа основного потока на уровне 27…37 °С осуществляется путем включения/выключения рядов вентиляторов без участия системы частотного регулирования, при этом ЧРП вентиляторов используются в качестве плавных пускателей.
• пусковой контур – при достижении температуры газа после АВО в пусковом контуре ? 30°С выполняется автоматическое включение двигателей вентиляторов АВО-1-1 (или АВО-1-2) и системы регулирования. Система регулирования температуры газа пускового контура предусматривает возможность нескольких вариантов работы: в работе на пусковом контуре одновременно два аппарата, только АВО-1-1 либо только АВО-1-2. В зависимости от температуры окружающего воздуха автоматическое поддержание температуры газа на заданном уровне (35…55 °С) обеспечивается включением/ отключением рядов вентиляторов АВО, при этом ЧРП используются только в качестве плавных пускателей. В случае, если в работе пускового контура только один из АВО, решение о подключении второго аппарата (по значениям температуры газа на выходе пускового контура) принимает оператор ДКС.

Зимний режим работы установки (tокр.воздуха < +5°С):

• основной поток газа – в зависимости от понижения температуры окружающего воздуха автоматичес-кое регулирование температуры газа в диапазоне 18…37°С осуществляется посредством частотного регулирования частоты вращения всех вентиляторов АВО, затем при дальнейшем понижении температуры воздуха – за счет отключения последних по ходу газа рядов вентиляторов и с учетом допустимых значений гидравлического сопротивления установки (не более 0,06 МПа) отключением оптимального количества аппаратов.
• пусковой контур – в зависимости от понижения температуры окружающего воздуха автоматическое поддержание температуры газа в диапазоне 30…50°С осуществляется посредством частотного регулирования частоты вращения всех вентиляторов АВО, затем, при необходимости, отключением одного (третьего) ряда вентиляторов. При достижении температуры газа после АВО пускового контура < 25 °С выполняется автоматическое выключение двигателей вентиляторов АВО и системы регулирования.

Алгоритм регулирования АВО газа выполняется в три ряда, в основном задействуется первый ряд, как в летний, так и в зимний режим работы. Остальные два ряда АВО включаются по мере необходимости.

Результаты технико-технологического анализа работы АВО в летний и зимний периоды позволяют констатировать, что вариант 4 с комбинированным управлением асинхронными двигателями вентиляторов АВО газа является приоритетным. При этом 1-й ряд работает от ЧРП, 2-й и 3-й ряды – от УПП.

Конкретные численные технико-экономические расчеты выполнены в соответствии с действующими нормативно-техническими документами [21, 22].

Сравнение вариантов по оснащению второй очереди ДКС объекта «Дожимная компрессорная станция на УКПГ-1В Ямбургского НГКМ (2-я очередь)» (рис. 9) произведено по величине суммарных дисконтированных затрат относительно друг друга. В соответствии с положениями п.7.2.1 «Методики оценки экономичес-кой эффективности инвестиционных проектов в форме капитальных вложений», капитальные вложения в расчетах денежных потоков учтены с НДС. Возврат НДС производится в следующим за расчетным годом.

При этом следует иметь в виду, что в соответствии с отмеченными нормативными документами необходимо предусматривать оснащение всех технологических агрегатов КС, включая новые образцы, встроенными системами мониторинга и прогнозирования их технического состояния.

Полученные технико-экономические показатели по оснащению второй очереди ДКС объекта «Дожимная компрессорная станция на УКПГ-1В Ямбургского НГКМ (2-я очередь)» позволяют сделать вывод о целесо-образности реализации варианта 4 (ШУ с УПП и ЧРП). По принятому критерию оценки вариантов (по величине дисконтированных затрат) вариант 4 имеет преимущество перед другими вариантами, и его реализация позволит инвестору сэкономить до 49 900 тыс. руб.

Список литературы

1. Крюков О.В. Энергоэффективные электроприводы ГПА на базе интеллектуальных систем управления и мониторинга//Дис. … д-ра техн. наук. М.: АО «Корпорация ВНИИЭМ», 2015.
2. Милов В.Р., Суслов Б.А. Интеллектуализация поддержки управленческих решений в газовой отрасли//Автоматизация в промышленности. 2009. №12. С. 16–20.
3. Серебряков А.В., Васенин А.Б. Диагностика электромеханической части энергетических установок//Електромеханiчнi I енергозберiгаючi системи. 2012. №3 (19). С. 549–552.
4. Милов В.Р., Шалашов И.В. Процедуры прогнозирования и принятия решений сис­теме технического обслуживания и ремонта//Автоматиза­ция в промышленности. 2010. №8. С.47–49.
5. Крюков О.В. Интеллектуальные электроприводы с IT-алгоритмами//Автоматизация в промышленности. 2008. №6. С. 36–39.
6. Крюков О.В. Анализ моноблочных конструкций электрических машин для ГПА//Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2015. Т. 3. №4. С. 53–58.
7. Титов В.Г. Анализ пусковых режимов электроприводных газоперекачивающих агрегатов//Известия ВУЗов. Электромеханика. 2012. №3. С. 29–35.
8. Краснов Д.В. Перспективы применения преобразователей частоты для регулирования производительности электроприводных ГПА//Газовая промышленность. 2014. №6. С. 86–89.
9. Крюков О.В. Регрессионные алгоритмы инвариантного управления электроприводами при стохастических возмущениях // Электричество. 2008. №9. С. 45–51.
10. Kiyanov N.V., Kryukov O.V., Pribytkov D.N., Gorbatushkov A.V. A Concept for the development of invariant automated electric drives for the water recycling systems with fan cooling towers Russian Electrical Engineering. 2007. T. 78. №11. C. 621–627.
11. Захаров П.А. Принципы инвариантного управления электроприводами газотранспортных систем при случайных возмущениях//Вестник ИГЭУ. 2008. №2. С. 98–104.
12. Серебряков А.В. О новых возможностях технологий Smart Grid//Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2013. №2. С. 47–48.
13. Крюков О.В. Синтез и анализ электроприводных агрегатов компрессорных станций при стохастических возмущениях// Электротехника. 2013. №3. С. 22–27.
14. Серебряков А.В. Оптимизация управления автономными энергетическими установками в условиях стохастических возмущений//Промышленная энергетика. 2013. №5. С. 45–49.
15. Васенин А.Б., Серебряков А.В. Алгоритмы управления электромеханическими системами магистрального транспорта газа//Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции АЭП-2014. 2014. С. 404–409.
16. Серебряков А.В. Методы синтеза встроенных систем прогнозирования технического состояния высоковольтных двигателей//В сб.: Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии. Материалы МНТК XVIII Бенардосовские чтения. 2015. С. 69–73.
17. Васенин А.Б., Серебряков А.В., Плехов А.С. АСУ систем электроснабжения на принципах Smart Grid для объектов магистральных газопроводов//Автоматизация в промышленности. 2012. №4. С. 36–38.
18. Воронков В.И., Рубцова И.Е. Электроснабжение и электрооборудование линейных потребителей магистральных газопроводов//Газовая промышленность. 2010. №3. С. 32–37.
19. Серебряков А.В., Васенин А.Б. Нечеткие модели и алгоритмы управления энергетическими установками//В сб.: «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах». 2012. С. 467–469.
20. Титов В.В. Разработка АСУ автономными энергетическими установками // Автоматизация в промышленности. 2009. №4. С. 35–37.
21. Серебряков А.В. Универсальная система мониторинга электродвигателей ГПА // Известия ВУЗов. Электромеханика. 2016. №4 (546). С.74–81.
22. Методика оценки экономической эффективности инвестиционных проектов в форме капитальных вложений/Приказ №01/07–99 ПАО «Газпром» от 09.09.2009.