Проектирование линейного центробежного нагнетателя природного газа мощностью 25 МВт

Новые разработки компрессорной техники  связаны с разработкой компрессоров для новых строящихся газопроводов, компрессоров для дожимных компрессорных станций «ГАЗПРОМ» и независимых нефтяных компаний, подземных хранилищ газа (ПХГ) и предприятий нефтегазовой отрасли.

По запросам проектных институтов, газотранспортных и нефтеперерабатывающих предприятий отечественными производителями  (ОАО НПО «Искра» и др.) разработаны центробежные компрессорные машины в следующем диапазоне параметров:

- класс мощности от 0,8 до 25 МВт;

- степень сжатия в расчетной  точке от 1,35 до 40;

- давление нагнетания от 1,05 до 12 МПа;

- коммерческая производительность  в расчетной точке от 0,3 до 60 млн.  м^3/сут.;

- сжимаемый газ – природный,  попутный нефтяной с содержанием  водорода до 90%, с большим содержанием  сероводорода и т.п.

Компрессор должен разрабатываться  на основе базового корпуса, предусматривающего возможность установки комплекта сменных проточных частей (СПЧ) с номинальными параметрами в диапазоне значений степени сжатия из типоразмерного ряда, определяемом назначением компрессора:

1,25-1,35-1,44(1,50)-1,7.

Мощностной ряд ГПА  с центробежными газовыми компрессорами 2,5-4-6,3(8)-10(12)-16-25(32) МВт.

Базовый корпус выполняется, как правило, с вертикальным разъемом или типа «баррель».

Для линейных компрессорных  станций предпочтителен вариант  применения полностью «сухого» исполнения центробежных компрессоров, оснащенных «сухими» газодинамическими уплотнениями (СГУ) и системой магнитного подвеса ротора (МП).

Базовые корпуса и  их «крышки» должны без доработок (с  минимальными доработками) допускать  применение СПЧ в «масляном», «полусухом» или «сухом» исполнении.

Разрабатываемый в данном дипломном проекте компрессор со степенью сжатия 1,44, давлением нагнетания 12 МПа и мощностью 25 МВт соответствует по своим параметрам условиям технического задания на проектирование центробежных нагнетателей по заказу ОАО «Газпром» для оснащения компрессорной станции «Грязовецкая» проекта газопровода «Nord Stream» [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Техническое задание

 

Основные параметры разрабатываемого компрессора:

 

мощность привода – N=25,0 МВт;

рабочее вещество – природный  газ;

начальная температура  — t_н= 15°С = 288К;

степень повышения давления П = 1,44;

конечное давление — Р_к =  12,0 МПа;

начальное давление — Р _н = 8,333 МПа;

рабочая частота вращения вала – n =5000 об/мин.

 

3. Выбор варианта машины

 

3.1.Определение физических констант газа

 

По программе DC00 кафедры КВХТ на основе состава газа, значений начальной температуры и давления были рассчитаны физические постоянные газа. Результаты расчета приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Термодинамика смесей реальных газов

 

№ п/п	Название	Формула	Х	Количество
1	Метан	CH4	0.98630	16.0430
2	Этан	C2H6	0.00120	30.0700
3	Пропан	C3H8	0.00020	44.0970
4	Н-бутан	C4H10	0.00100	58.1240
5	Азот	N2	0.00120	28.0160
6	Углекислый газ	CO2	0.01010	44.0110

 

 

Результаты расчета:

 

Давление: P =  8,333  МПа

Температура: T = 288  К

 

Мольная масса: М = 16,404 кг/кмоль

Газовая постоянная: R = 506,84 Дж/(кг*К)

Удельный объем: v = 0,0148  куб.м/кг

Плотность: r_o =  67,626  кг/куб.м

Теплоемкость: C_p = 2897,340  Дж/(кг*К)

Показатель изоэнтропы: к = 1,445

Скорость звука: а =  421,9  м/с

Динамическая вязкость: etha =  0,131E-04 Н*с/кв.м

 

 

 

3.2. Вариантные расчеты

 

Расчёт параметров проектируемого компрессора производится при помощи программного комплекса Метода универсального моделирования, разработанного на кафедре КВХТ под руководством Ю.Б. Галёркина.

Расчеты произведены  в программе ZZZ1, входящей в комплекс программного комплекса Метода универсального моделирования. Расчеты проводим ориентируясь на мощность заданную в тех. задании (25 МВт). В программе рассчитывается внутренняя мощность компрессора, которая не учитывает КПД электродвигателя, поэтому значения мощности будут немного меньше заданной.

Проведены расчеты четырех  вариантов исполнения нагнетателя (одно-, двух-, трех- и четырех- ступенчатые схемы). Каждая схема рассматривается с различными вариантами исполнения рабочих колес (радиальное или осерадиальное) и диффузора (лопаточный или безлопаточный).

 

 

Вводим в программу исходные данные:

 

    ***** Input data *****

 

    ***** Compressor parameters ******

 

    Mass flow,                           m= 350.00 kg/s

    Outlet pressure,                  Pout= 122.449 Atm (1.2000E+07 Pa)

    Inlet pressure,                    Pin= 85.031 Atm (8.3330E+06 Pa)

    Inlet temperature,                 Tin= 288.00 K

 

    ***** Gas parameters ******

 

    Isentropic coefficient               k= 1.4440

    Gas constant,                        R= 506.83 J/kg/K

    Dynamic viscosity coefficient,     muu= 1.3066E-05 n*s/m^2

 

 

 

*** Variant # 1 ***

 

Одноступенчатый компрессор.

Радиальное рабочее колесо (2D), лопаточный (VD) диффузор.

 

 

    Amount of rotors, nr=1

    Amount of stages on rotor #1, nst=1

 

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

| # | Type |  F   |  Mu  | PSIt |   Reu    |  U2  |  D2  |  ETA |  Tin | Tout |

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

|Rotor # 1 n=5000. Dhb=0.3                                                    |

| 1 |2D+VD |0.0140|0.7334|0.6000| 1.890E+09|336.72|1.2862|0.8007|288.00|331.33|

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

       Polytropic Efficiency,  ETAp=0.801

       Power consumption,        Nc=25000.03 kW

 

 

 

*** Variant # 2 ***

 

Одноступенчатый компрессор.

Радиальное рабочее колесо (2D), безлопаточный (VLD) диффузор.

 

    Amount of rotors, nr=1

    Amount of stages on rotor #1, nst=1

 

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

| # | Type |  F   |  Mu  | PSIt |   Reu    |  U2  |  D2  |  ETA |  Tin | Tout |

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

|Rotor # 1 n=5000. Dhb=0.3                                                    |

| 1 |2D+VLD|0.0140|0.7334|0.6000| 1.890E+09|336.72|1.2862|0.8007|288.00|331.33|

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

       Polytropic Efficiency,  ETAp=0.801

       Power consumption,        Nc=25000.03 kW

 

 

 

 

***** Input data *****

 

    ***** Compressor parameters ******

 

    Mass flow,                           m= 380.00 kg/s

    Outlet pressure,                  Pout= 122.449 Atm (1.2000E+07 Pa)

    Inlet pressure,                    Pin= 85.031 Atm (8.3330E+06 Pa)

    Inlet temperature,                 Tin= 288.00 K

 

    ***** Gas parameters ******

 

    Isentropic coefficient               k= 1.4440

    Gas constant,                        R= 506.83 J/kg/K

    Dynamic viscosity coefficient,     muu= 1.3066E-05 n*s/m^2

 

 

*** Variant # 3 ***

 

Одноступенчатый компрессор.

Осерадиальное рабочее колесо (3D), лопаточный (VD) диффузор.

 

 

    Amount of rotors, nr=1

    Amount of stages on rotor #1, nst=1

 

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

| # | Type |  F   |  Mu  | PSIt |   Reu    |  U2  |  D2  |  ETA |  Tin | Tout |

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

|Rotor # 1 n=5000. Dhb=0.3                                                    |

| 1 |3D+VD |0.0176|0.6992|0.6000| 1.720E+09|321.01|1.2262|0.8748|288.00|327.46|

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

       Polytropic Efficiency,  ETAp=0.875

       Power consumption,        Nc=24719.27 kW

 

 

 

 

*** Variant # 4 ***

 

Одноступенчатый компрессор.

Осерадиальное рабочее колесо (3D), безлопаточный (VLD) диффузор.

 

    Amount of rotors, nr=1

    Amount of stages on rotor #1, nst=1

 

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

| # | Type | F   |  Mu  | PSIt |   Reu    |  U2  |  D2  |  ETA |  Tin | Tout |

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

|Rotor # 1 n=5000. Dhb=0.3                                                    |

| 1 |3D+VLD|0.0176|0.6992|0.6000| 1.720E+09|321.01|1.2262|0.8748|288.00|327.46|

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

       Polytropic Efficiency,  ETAp=0.875

       Power consumption,        Nc=24719.27 kW

 

 

 

 

 ***** Input data *****

 

    ***** Compressor parameters ******

 

    Mass flow,                           m= 385.00 kg/s

    Outlet pressure,                  Pout= 122.449 Atm (1.2000E+07 Pa)

    Inlet pressure,                    Pin= 85.031 Atm (8.3330E+06 Pa)

    Inlet temperature,                 Tin= 288.00 K

 

    ***** Gas parameters ******

 

    Isentropic coefficient               k= 1.4440

    Gas constant,                        R= 506.83 J/kg/K

    Dynamic viscosity coefficient,     muu= 1.3066E-05 n*s/m^2

 

 

*** Variant # 5 ***

 

Двухступенчатый компрессор.

Радиальное рабочее  колесо (2D), лопаточный (VD) диффузор.

 

 

    Amount of rotors, nr=1

    Amount of stages on rotor #1, nst=2

 

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

| # | Type |  F   |  Mu  | PSIt |   Reu    |  U2  |  D2  |  ETA |  Tin | Tout |

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

|Rotor # 1 n=5000. Dhb=0.3                                                    |

| 1 |2D+VD |0.0484|0.5009|0.6000| 8.830E+08|229.96|0.8784|0.8764|288.00|307.57|

| 2 |2D+VD |0.0428|0.4847|0.6000| 9.970E+08|229.96|0.8784|0.8762|307.57|327.18|

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

       Polytropic Efficiency,  ETAp=0.876

       Power consumption,        Nc=24866.09 kW

 

 

 

*** Variant # 6 ***

 

Двухступенчатый компрессор.

Радиальное рабочее колесо (2D), безлопаточный (VLD) диффузор.

 

 

    Amount of rotors, nr=1

    Amount of stages on rotor #1, nst=2

 

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

| # | Type |  F   |  Mu  | PSIt |   Reu    |  U2  |  D2  |  ETA |  Tin | Tout |

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

|Rotor # 1 n=5000. Dhb=0.3                                                    |

| 1 |2D+VLD|0.0484|0.5009|0.6000| 8.830E+08|229.96|0.8784|0.8764|288.00|307.57|

| 2 |2D+VLD|0.0428|0.4847|0.6000| 9.970E+08|229.96|0.8784|0.8762|307.57|327.18|

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

       Polytropic Efficiency,  ETAp=0.876

       Power consumption,        Nc=24866.09 kW

 

 

    ***** Input data *****

 

    ***** Compressor parameters ******

 

    Mass flow,                           m= 385.00 kg/s

    Outlet pressure,                  Pout= 122.449 Atm (1.2000E+07 Pa)

    Inlet pressure,                    Pin= 85.031 Atm (8.3330E+06 Pa)

    Inlet temperature,                 Tin= 288.00 K

 

    ***** Gas parameters ******

 

    Isentropic coefficient               k= 1.4440

    Gas constant,                        R= 506.83 J/kg/K

    Dynamic viscosity coefficient,     muu= 1.3066E-05 n*s/m^2

 

 

*** Variant # 7 ***

 

Двухступенчатый компрессор.

Осерадиальное рабочее  колесо (3D), лопаточный (VD) диффузор.

 

 

    Amount of rotors, nr=1

    Amount of stages on rotor #1, nst=2

 

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

| # | Type |  F   |  Mu  | PSIt |   Reu    |  U2  |  D2  |  ETA |  Tin | Tout |

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

|Rotor # 1 n=5000. Dhb=0.3                                                    |

| 1 |3D+VD |0.0485|0.5007|0.6000| 8.820E+08|229.87|0.8780|0.8767|288.00|307.55|

| 2 |3D+VD |0.0429|0.4845|0.6000| 9.960E+08|229.87|0.8780|0.8781|307.55|327.15|

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

       Polytropic Efficiency,  ETAp=0.877

       Power consumption,        Nc=24843.09 kW

 

 

*** Variant # 8 ***

 

Двухступенчатый компрессор.

Осерадиальное рабочее колесо (3D), безлопаточный (VLD) диффузор.

 

 

    Amount of rotors, nr=1

    Amount of stages on rotor #1, nst=2

 

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

| # | Type |  F   |  Mu  | PSIt |   Reu    |  U2  |  D2  |  ETA |  Tin | Tout |

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

|Rotor # 1 n=5000. Dhb=0.3                                                    |

| 1 |3D+VLD|0.0485|0.5007|0.6000| 8.820E+08|229.87|0.8780|0.8767|288.00|307.55|

| 2 |3D+VLD|0.0429|0.4845|0.6000| 9.960E+08|229.87|0.8780|0.8781|307.55|327.15|

+---+------+------+------+------+----------+------+------+------+------+------+

       Polytropic Efficiency,  ETAp=0.877

       Power consumption,        Nc=24843.09 kW

 

 

    ***** Input data *****

 

    ***** Compressor parameters ******

 

    Mass flow,                           m= 385.00 kg/s

    Outlet pressure,                  Pout= 122.449 Atm (1.2000E+07 Pa)

    Inlet pressure,                    Pin= 85.031 Atm (8.3330E+06 Pa)

    Inlet temperature,                 Tin= 288.00 K

 

    ***** Gas parameters ******

 

    Isentropic coefficient               k= 1.4440

    Gas constant,                        R= 506.83 J/kg/K

    Dynamic viscosity coefficient,     muu= 1.3066E-05 n*s/m^2

 

 

*** Variant # 9 ***