Машиностроение и компьютерные технологии. 2017; : 29-43
Выбор параметров газотурбинного двигателя, использующегося в качестве привода нефтяного насоса
https://doi.org/10.24108/1117.0001307Аннотация
В статье рассмотрены возможности использования газотурбинного двигателя в качестве привода магистрального нефтяного насоса. Отмечено, что газотурбинный привод оказывается выгоднее электродвигателя в случае отсутствия внешнего энергоснабжения или при значительных сроках строительства линий электропередач, а также при частых изменениях количества перекачиваемых нефтепродуктов.
Основной задачей данной работы является выбор оптимальных параметров цикла двигателя для конкретной модели насоса, применяющейся на нефтеперекачивающих станциях. В качестве объекта исследования был выбран магистральный нефтяной насос марки НМ 10000/1,25-210. В работе представлены технические характеристики центробежного насоса НМ 10000/1,25-210 и опытные значения напора, мощности и КПД насоса для ряда подач. По формулам подобия получены напорные и мощностные характеристики центробежного насоса для разных частот вращения ротора.
В качестве привода центробежного насоса рассмотрено применение двухвальной установки со свободной силовой турбиной. Данная схема выбрана в соответствии с особенностями работы газотурбинного насосного агрегата на нефтеперекачивающей станции. Отмечено, что схема со свободной силовой турбиной позволяет согласовывать характеристики газотурбинного двигателя и нефтяного насоса на нерасчетных режимах работы, поскольку отсутствует механическая связь между турбинами высокого и низкого давления.
Рассчитаны параметры цикла газотурбинного двигателя мощностью Ne = 8 МВт. Представлены графики зависимости расхода воздуха GB, удельного расхода топлива Ce и КПД ηe от степени повышения давления πk в компрессоре. В соответствии с графиками принято оптимальное значение степени повышения давления в компрессоре πk= 15. При πk= 15 удельный расход топлива в газотурбинном двигателе мощностью Ne = 8 МВт составляет Ce= 0,22 кг/кВт*ч, расход воздуха GB= 20,5 кг/с. КПД двигателя при выбранных параметрах составляет ηe= 38,4%.
Отмечено, что для обеспечения наиболее экономичной работы газотурбинного двигателя необходимо выбрать оптимальную программу регулирования, которая определяется с учетом характеристик нагрузки, в данном случае характеристик насоса.
Список литературы
1. Гумеров А.Г., Гумеров Р.С., Акбердин А.М. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. М.: Недра, 2001. 475 с.
2. Тырылгин И.В., Некрасов В.О. Повышение энергоэффективности трубопроводного транспорта углеводородного сырья // «Нефть и газ Западной Сибири»: Междунар. науч.-техн. конф., посвященная 55-летию Тюменского гос. нефтегазового ун-та (Тюмень, 12-14 октября 2011 г.): материалы. Т. 2. Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. С. 93-96.
3. Shpilevoy V.A., Zakirzakov A.G., Shabarov A.B. Comparison of electric and gas turbine drive types at pump stations // Topical problems of architecture, civil engineering, energy efficiency and ecology: TPACEE-2016: 15th intern. conf. (Tyumen, Russia, April 27-29, 2016): Proc. P.: EDP Sciences, 2016. P. 01011. DOI: 10.1051/matecconf/20167301011
4. Остапенко Н.Г., Новиков Р.С. Применение газотурбинных установок на нефтеперекачивающих станциях // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 213-214.
5. Shpilevoy V.A., Chekardovsky S.M., Zakirazkov A.G. A mathematical model of gas-turbine pump complex // Transport and storage of hydrocarbons: Intern. scientific-practical conf. of students, graduate students and young scientists (Tyumen, Russia, May 20-25, 2016): Proc. Bristol: IoP, 2016. 6 p. DOI: 10.1088/1757-899X/154/1/012009
6. Шпилевой В.А., Тырылгин И.В., Земенков Ю.Д. Альтернативные системы приводов насосных агрегатов для новых магистральных нефтепроводов // Изв. высших учебных заведений. Нефть и газ. 2012. № 5. С. 75-78.
7. Тумашев Р.З., Михеев С.С., Куникеев Б.А. Производство электроэнергии на компрессорных станциях утилизационными газотурбинными установками // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. № 1(106). С. 44–53. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-1-44-53
8. Тумашев Р.З., Моляков В.Д., Лаврентьев Ю.Л. Повышение эффективности компрессорных станций магистральных газопроводов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2014. № 1(94). С. 68–79.
9. Шафиков Г.А., Моляков В.Д. Конверсия авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя в установку для выработки пиковой электроэнергии // Аэрокосмический научный журнал. 2017. Т. 3. № 2. С. 1-16. DOI: 10.24108/aersp.0217.0000062
10. Гулина С.А., Авдеев В.М., Верещагина И.В., Шепелов В.И., Гулина А.С. Альтернатива приводному электродвигателю для нефтяного насоса // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Сер.: Технические науки. 2016. № 2(50). С. 139-149.
11. Иноземцев А.А., Хайруллин М.Ф. Новые технические решения для проекта «Сахалин-2» // Пермские газовые турбины. Энергетика и транспорт газа. 2010. № 17. С. 28-31.
12. Иноземцев А.А. ГТНА «УРАЛ-6000» – новые технические решения для проекта «Сахалин-2» // Тяжелое машиностроение. 2010. № 3. С. 2-5.
13. Трошин Г.А., Петров А.И. Методы модификации проточной части нефтяных магистральных насосов типа НМ // Инженерный вестник. 2014. № 11. С. 87-92. Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/744967.html (дата обращения 15.12.2017).
14. Насос НМ 10000/1,25-210-2.1. Технические характеристики. Режим доступа: http://www.hms.ru/pumps_catalog/detail.php?ELEMENT_ID=5005 (дата обращения 01.06.2017).
15. Методика расчета уставок по минимальному давлению на входе НПС: Руководящий документ РД-23.080.00-КТН-064-10 / ОАО «АК «Транснефть». 2010. 31 с.
16. Колпаков Л.Г., Аитова Н.З., Еронен В.И. Методика расчета напорных характеристик и пересчета параметров центробежных насосов магистральных нефтепроводов при изменении частоты вращения и вязкости перекачиваемой жидкости: РД 39.30.990.84 / АК «Транснефть». Уфа, 1984.
17. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. 2-е изд. М.-Л.: Машиностроение, 1966. 364 с.
18. Моляков В.Д., Тумашев Р.З. Обоснование схем и параметров высокоэффективных газотурбинных установок для малой энергетики // Изв. высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. № 10(631). С. 52-58. DOI: 10.18698/0536-1044-2012-10
19. Моляков В.Д., Осипов М.И., Тумашев Р.З. Повышение эффективности режимов работы газотурбинного двигателя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2006. № 3(64). С. 80—95.
20. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок: Учебник / А.Н. Арбеков, А.Ю. Вараксин, В.Л. Иванов, Э.А. Манушин и др.; под общ. ред. А.Ю. Вараксина. 4-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 678 с. Режим доступа: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/129/book1726.html (дата обращения 15.08.2017).
21. Михальцев В.Е., Моляков В.Д. Расчет параметров цикла при проектировании газотурбинных двигателей и комбинированных установок: учеб. пособие / Под ред. И.Г. Суровцева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 58 с. Режим доступа: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/129/book61.html (дата обращения 17.12.2016).
Mechanical Engineering and Computer Science. 2017; : 29-43
The Choice Gas Turbine Engine Parameters Used to Drive the Oil Pump
https://doi.org/10.24108/1117.0001307Abstract
The article considers capabilities of the gas turbine engine to be used as a drive of the crude oil pump. It is noted that the gas turbine drive proves to be more advantageous than the electric motor when there is no external power supply or building periods of power transmission lines are significantly long, as well as quantities of oil products pumped are often changed.
The main objective of this work is to select the optimum engine cycle parameters for a particular pump model, which oil pumping stations use. As an object of research, a crude oil pump of the НМ 10000 / 1.25-210 brand was chosen. The paper presents technical characteristics of the HM 10000 / 1.25-210 centrifugal pump and experimental values of head, power, and efficiency of the pump for a number of feeds. To obtain the pressure and power characteristics of a centrifugal pump for different rotational speeds of the rotor the similarity formulas are used.
As the centrifugal pump drive, the paper considers a two-shaft plant with the free power turbine. This scheme was chosen in accordance with the features of the gas turbine pump unit at the oil pumping station. It is noted that the free power turbine scheme allows us to bring into accordance the characteristics of a gas turbine engine and an oil pump in abnormal modes, since there is no mechanical connection between high and low pressure turbines.
The paper presents the calculated parameters of the gas turbine engine cycle with power Ne = 8 MW. The graphs show dependence of the airflow rate GB, the specific fuel consumption Ce and the efficiency ηe on the degree of pressure increase πk in the compressor. In accordance with the graphs, the optimum value of the degree of pressure increase πk = 15 in the compressor is adopted. With πk = 15, the specific fuel consumption in the gas turbine engine with power Ne = 8 MW is equal to Ce = 0,22 kg/kW*h and the airflow rate is GB = 20,5kg/s. The efficiency of the engine with the selected parameters is ηe = 38,4%.
It is noted that in order to ensure the most economical gas turbine engine operation, it is necessary to select the optimal control program, which is determined taking into account the load characteristics, in this case the characteristics of the pump.
References
1. Gumerov A.G., Gumerov R.S., Akberdin A.M. Ekspluatatsiya oborudovaniya nefteperekachivayushchikh stantsii. M.: Nedra, 2001. 475 s.
2. Tyrylgin I.V., Nekrasov V.O. Povyshenie energoeffektivnosti truboprovodnogo transporta uglevodorodnogo syr'ya // «Neft' i gaz Zapadnoi Sibiri»: Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf., posvyashchennaya 55-letiyu Tyumenskogo gos. neftegazovogo un-ta (Tyumen', 12-14 oktyabrya 2011 g.): materialy. T. 2. Tyumen': TyumGNGU, 2011. S. 93-96.
3. Shpilevoy V.A., Zakirzakov A.G., Shabarov A.B. Comparison of electric and gas turbine drive types at pump stations // Topical problems of architecture, civil engineering, energy efficiency and ecology: TPACEE-2016: 15th intern. conf. (Tyumen, Russia, April 27-29, 2016): Proc. P.: EDP Sciences, 2016. P. 01011. DOI: 10.1051/matecconf/20167301011
4. Ostapenko N.G., Novikov R.S. Primenenie gazoturbinnykh ustanovok na nefteperekachivayushchikh stantsiyakh // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2013. № 8-2. S. 213-214.
5. Shpilevoy V.A., Chekardovsky S.M., Zakirazkov A.G. A mathematical model of gas-turbine pump complex // Transport and storage of hydrocarbons: Intern. scientific-practical conf. of students, graduate students and young scientists (Tyumen, Russia, May 20-25, 2016): Proc. Bristol: IoP, 2016. 6 p. DOI: 10.1088/1757-899X/154/1/012009
6. Shpilevoi V.A., Tyrylgin I.V., Zemenkov Yu.D. Al'ternativnye sistemy privodov nasosnykh agregatov dlya novykh magistral'nykh nefteprovodov // Izv. vysshikh uchebnykh zavedenii. Neft' i gaz. 2012. № 5. S. 75-78.
7. Tumashev R.Z., Mikheev S.S., Kunikeev B.A. Proizvodstvo elektroenergii na kompressornykh stantsiyakh utilizatsionnymi gazoturbinnymi ustanovkami // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2016. № 1(106). S. 44–53. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-1-44-53
8. Tumashev R.Z., Molyakov V.D., Lavrent'ev Yu.L. Povyshenie effektivnosti kompressornykh stantsii magistral'nykh gazoprovodov // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2014. № 1(94). S. 68–79.
9. Shafikov G.A., Molyakov V.D. Konversiya aviatsionnogo turboreaktivnogo dvukhkonturnogo dvigatelya v ustanovku dlya vyrabotki pikovoi elektroenergii // Aerokosmicheskii nauchnyi zhurnal. 2017. T. 3. № 2. S. 1-16. DOI: 10.24108/aersp.0217.0000062
10. Gulina S.A., Avdeev V.M., Vereshchagina I.V., Shepelov V.I., Gulina A.S. Al'ternativa privodnomu elektrodvigatelyu dlya neftyanogo nasosa // Vestnik Samarskogo gos. tekhn. un-ta. Ser.: Tekhnicheskie nauki. 2016. № 2(50). S. 139-149.
11. Inozemtsev A.A., Khairullin M.F. Novye tekhnicheskie resheniya dlya proekta «Sakhalin-2» // Permskie gazovye turbiny. Energetika i transport gaza. 2010. № 17. S. 28-31.
12. Inozemtsev A.A. GTNA «URAL-6000» – novye tekhnicheskie resheniya dlya proekta «Sakhalin-2» // Tyazheloe mashinostroenie. 2010. № 3. S. 2-5.
13. Troshin G.A., Petrov A.I. Metody modifikatsii protochnoi chasti neftyanykh magistral'nykh nasosov tipa NM // Inzhenernyi vestnik. 2014. № 11. S. 87-92. Rezhim dostupa: http://engbul.bmstu.ru/doc/744967.html (data obrashcheniya 15.12.2017).
14. Nasos NM 10000/1,25-210-2.1. Tekhnicheskie kharakteristiki. Rezhim dostupa: http://www.hms.ru/pumps_catalog/detail.php?ELEMENT_ID=5005 (data obrashcheniya 01.06.2017).
15. Metodika rascheta ustavok po minimal'nomu davleniyu na vkhode NPS: Rukovodyashchii dokument RD-23.080.00-KTN-064-10 / OAO «AK «Transneft'». 2010. 31 s.
16. Kolpakov L.G., Aitova N.Z., Eronen V.I. Metodika rascheta napornykh kharakteristik i perescheta parametrov tsentrobezhnykh nasosov magistral'nykh nefteprovodov pri izmenenii chastoty vrashcheniya i vyazkosti perekachivaemoi zhidkosti: RD 39.30.990.84 / AK «Transneft'». Ufa, 1984.
17. Lomakin A.A. Tsentrobezhnye i osevye nasosy. 2-e izd. M.-L.: Mashinostroenie, 1966. 364 s.
18. Molyakov V.D., Tumashev R.Z. Obosnovanie skhem i parametrov vysokoeffektivnykh gazoturbinnykh ustanovok dlya maloi energetiki // Izv. vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie. 2012. № 10(631). S. 52-58. DOI: 10.18698/0536-1044-2012-10
19. Molyakov V.D., Osipov M.I., Tumashev R.Z. Povyshenie effektivnosti rezhimov raboty gazoturbinnogo dvigatelya // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2006. № 3(64). S. 80—95.
20. Teoriya i proektirovanie gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok: Uchebnik / A.N. Arbekov, A.Yu. Varaksin, V.L. Ivanov, E.A. Manushin i dr.; pod obshch. red. A.Yu. Varaksina. 4-e izd. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2017. 678 s. Rezhim dostupa: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/129/book1726.html (data obrashcheniya 15.08.2017).
21. Mikhal'tsev V.E., Molyakov V.D. Raschet parametrov tsikla pri proektirovanii gazoturbinnykh dvigatelei i kombinirovannykh ustanovok: ucheb. posobie / Pod red. I.G. Surovtseva. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2014. 58 s. Rezhim dostupa: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/129/book61.html (data obrashcheniya 17.12.2016).
