А. М. АХМЕТЗЯНОВ, И. В. НИКОЛАЕНКО, Д. Е. ЯКИМОВ – АО «Группа ГМС» БЕ «ГМС Компрессоры»
Ш. Ш. БИКТИМЕРОВ, И. В. ФЕРАФОНТОВ, И. Ф. ХУСНУТДИНОВ, И. В. ФАЛЯХОВ – АО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа», Группа ГМС
Турбодетандерные агрегаты (далее – ТДА) применяются в различных отраслях промышленности, являются уникальными машинами, выпускаемые малыми сериями или по индивидуальным заказам. Основное назначение ТДА это расширение газа в детандерной ступени с понижением его температуры и последующим дожатием в компрессорной ступени за счет использования механической энергии, создаваемой ступенью детандера. ТДА не требуют подвода энергии для совершения процесса и благодаря этому обладают быстрой окупаемостью. В зависимости от состава охлаждаемого газа и параметров работы ТДА можно применять для очистки газа с получением различных целевых компонентов.
Исходя из температурных режимов эксплуатации ТДА выделяют следующие основные области применения турбодетандерных агрегатов в нефтегазовой отрасли:
- Охлаждение добываемого газа перед транспортировкой. Охлаждение газа до температур 0...-2°С на станциях охлаждения газа для дальнейшей транспортировки в районах Крайнего Севера.
- Очистка добываемого газа от тяжелых углеводородов (фракция С5+) и конденсата. Охлаждение газа до температур перехода в жидкую фазу газового конденсата (-30°С...-40°С) на объектах добычи газа, промысловых УКПГ.
- Получение жидкого пропана (С3+) и бутана (С4+). Охлаждение газа до температур перехода в жидкую фазу пропан-бутановых фракций (-60°С...-80°С) на объектах по переработке газа (ГПЗ).
- Получение сухого отбензининного газа, ШФЛУ и деэтанизация природного газа. Охлаждение газа до температур -100°С...-110°С на объектах по переработке газа (ГПЗ).
- Сжижение природного газа (СПГ). Охлаждение газа до температур перехода в жидкую фазу метана (-160°С...-180°С) на заводах среднетоннажного и крупнотоннажного СПГ.
Учитывая динамичное развитие инфраструктуры нефтегазового сектора с применением ТДА и возросший спрос на Российском рынке нефтегазового оборудования, работа по созданию широкого ряда высокоэффективных проточных частей ТДА стала стратегической задачей для АО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа» и АО «Казанькомпрессормаш» (входят в АО «Группа ГМС»).
На момент начала работ по созданию ряда ступеней ТДА в институте уже был богатый опыт по созданию турбодетандеров с масляными подшипниками скольжения марок БДКА 2-4 УХЛ1 (температура на выходе турбины -100°С) для газоперерабатывающей промышленности Западной Сибири; а также ТКО 75/42 (температура на выходе турбины -105°С) для получения гелиевого концентрата на Оренбургском гелиевом заводе, БДКА 4,2/15 ХЛ1 «Восточно-Мессояхского» м/р (температура на выходе турбины -18°С). А также по выпуску турбодетандерных агрегатов на активных магнитных подшипниках МТДА 8,4-9,7 МП УХЛ1 «Северо-Русское м/р» (температура на выходе турбины -62°С) и МТДА 8,6-9,9 МП УХЛ1 «Харбейское» м/р (температура на выходе турбины -66°С).
Данные установки успешно эксплуатируются в настоящее время.
Современный уровень программных средств проектирования проточных частей турбин позволил пересмотреть подход к проектированию ТДА традиционными методами.
На первом этапе была реализована теоретическая научная работа «Освоение расчетных программ ТДА на основе CFD моделирования. Разработка базовой ступени и параметрического ряда ТДА». Для возможности реализации НИР отдел газодинамических расчетов института создал математическую модель конденсирующихся смесей, которая позволяет определять фазовый компонентный состав рабочего газа и рассчитывать ТДА при работе в двухфазных средах (т.к. при расширении газа в ТДА происходит частичная конденсация компонентов газа).
По данной математической модели специалистами предприятия АО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа» разработана расчетная программа для определения теплофизических свойств рабочих газов ТДА с учетом двухфазности потока. Освоена расчетная программа по моделированию проточных частей радиальных турбин на основе одномерных струй тока, которая позволила провести ряд теоретических исследований для разработки модельной базовой ступени (статорные и роторные части) турбины ТДА и формирование на ее основе ряда ступеней с целью перекрытия требуемого диапазона по расходу и перепаду давлений. Газодинамические характеристики базовой ступени и ее модификаций определялись средствами вычислительной гидродинамики.
По результатам реализации данной НИР создан теоретический ряд ТДА с расчетными газодинамическими характеристиками с широким диапазоном по параметрам применения. Также была создана оптимальная геометрия проточной части модельной турбинной ступени, обеспечивающая целевые показатели эффективности, напора и производительности. Критерием достижения целевых показателей НИР было получение высокоэффективной степени ТДА с КПД турбинной ступени не менее 87%, что соответствует мировому уровню.
После реализации теоретической части НИР, потребовалась верификация расчетных данных на экспериментальном стенде и реализация НИР «Экспериментальные исследования ряда модельных турбинных ступеней».
Целью данной научно- исследовательской работы являлось проведение экспериментальных исследований модельных центростремительных турбинных (детандерных) ступеней с получением подтвержденных газодинамических характеристик ряда детандерных ступеней на модельном газе – воздухе.