Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том II. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке - файл n1.doc

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том II. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке
скачать (35174.8 kb.)
Доступные файлы (4):
n1.doc17611kb.13.09.2004 09:14скачать
n2.docскачать
n3.doc68kb.13.09.2004 09:14скачать
n4.doc118kb.13.09.2004 09:14скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Обеспечение безопасности управления при автоматизации газоперекачивающего оборудования
Сергеев С.П., Перевалов В.К., Василенко А.И.

НПЦ САУ ОАО «СМНПО им.М.В.Фрунзе», г.Сумы, Украина
Развитие техники и ресурсосберегающих технологий привело к значительному усложнению технологических процессов в газовой отрасли, что существенно повлияло на объем автоматизации и принципы построения систем автоматического управления объектами газовой промышленности и газотранспортной системы.

Требования, предъявляемые к современным системам автоматического управления и регулирования (САУ и Р) газоперекачивающего оборудования, касаются не только более эффективного использования центробежных компрессоров, входящих в состав турбокомпрессорных агрегатов (ГПА), но и обеспечения безопасности эксплуатации оборудования в соответствие с международным стандартом безопасности IEC 61508, общим правилам взрывобезопасности Госгортехнадзора, нормам и правилам противопожарной безопасности. Согласно указанным нормативным документам, системы противоаварийной защиты (СПАЗ) объектов газовой промышленности относятся ко второму классу уровня безопасности (SIL 2), что определяет ряд основных требований:

Система противоаварийной защиты ГПА или КС должна осуществлять контроль наиболее важных параметров и подавать команду на автоматический аварийный останов в случае выхода параметра за допустимые пределы. Параметры, по которым действует автоматическая защита, можно разделить на две группы. Первую образуют параметры, аварийное значение которых может быть достигнуто только в результате какого-либо нарушения режима. В условиях нормальной эксплуатации и на неработающем агрегате значения этих параметров лежат по одну сторону от уставки срабатывания, которая обычно выше нормального значения параметра. Вторую группу составляют параметры, для которых значения, соответствующие аварийной ситуации, лежат по туже сторону от уставки срабатывания (например, ниже), что и значения их на остановленном агрегате. В процессе нормальной эксплуатации значения этих параметров лежат по другую сторону от уставки срабатывания защиты. Каждая из групп параметров требует отдельных алгоритмов для их реализации.

В применяемых в настоящее время системах автоматического управления газоперекачивающим оборудованием система противоаварийной защиты является неотъемлемой частью основной системы управления. В этом случае для обеспечения защиты оборудования при выходе из строя технологического контроллера или при исчезновении питания системы управления используется блок экстренного останова (или блок релейной защиты), который, как правило, реализуется на элементах «жесткой» логики. Характерной особенностью блоков экстренного останова является то, что решение о переводе оборудования в безопасное состояние принимается основной системой управления или оператором. Для принятия решения об останове технологического процесса оператору требуется от З до 5 секунд, а в некоторых случаях (при необходимости обобщить информацию с распределенного объекта) — до нескольких минут. Как показал анализ, именно за это время, в условиях неработоспособности основной системы управления, наиболее крупные аварии приобретали необратимый характер и приводили к большим материальным потерям.

Наличие автономной системы безопасности обеспечивает надежную отработку аварийных операций без участия оператора даже в случае выхода из строя или частичной потере функций основной системы управления. Предупреждение аварийных ситуаций и защита газоперекачивающего оборудования — назначение подсистемы аварийной защиты (ЕSD), входящей в состав САУ и Р ГПА и КС как законченное автономное изделие.

ОАО Сумское НПО им. М.В. Фрунзе совместно с ЗАО «НПФ «Система-Сервис» разработали и внедрили САУ и Р КС с автономной системой ЕSD на компрессорной станции Хаджи-Абад республика Иран, выполненной на базе сертифицированных ТЬV программно-технических средств фирмы Siemens. Структурная схема САУ и Р состоит из:

1. Трех систем САУ и Р ГПА с автономной системой ЕSD.

2. Резервированной системы САУ и Р КС с автономной резервированной системой ЕSD КС.

3. Пульта управления КС, включающего два рабочих места оператора и одно место инженера-программиста (фото 1).

4. Трех щитов управления ГПА и стойки УПИ системы ЕSD КС, включающей сетевое коммуникационное оборудование (фото 2).

5. Датчиковой аппаратуры и исполнительных механизмов.

В систему ЕSD подключается датчиковая аппаратура и исполнительные механизмы, обеспечивающие безопасность эксплуатации:

- системы пожарообнаружения,

- системы газообнаружения,

- системы вибромониторинга,

- контроль предельных оборотов ротора компрессора,

- контроль цепей управления и положение кранов входящих в алгоритм управления ЕSD,

- системы электропитания механизмов ГПА и КС.










Фото1 – Пульт управления КС






Фото 2 – Щиты управления ГПА и стойка УПИ системы ESD КС

Ввод и вывод параметров осуществляется модулями повышенной безопасности SM 326F и модулями децентрализованной периферии SIMATIC DР ЕТ2ООМ.

Система ЕSD имеет приоритет над всеми командами САУ и Р и всеми режимами управления ГПА и КС. При выявлении любой неисправности система ESD должна привести ГПА и оборудование КС в безопасное состояние, чтобы гарантировать безопасность оборудования и персонала с заданной вероятностью, определяемой в соответствии с уровнем безопасности SIL2 по IEC 61508.

Указанная система выполняет следующие функции:

В процессе штатного управления система ESD находится в ждущем режиме и постоянно обрабатывает входные данные о технологическом состоянии оборудования и о состоянии аппаратных средств системы управления.

Система ESD включается в процесс управления и производит экстренный останов в одном из следующих случаев:

Автономные системы ESD ГПА и КС выполнены на базе сертифицированных по IEC 61508 контроллерах промышленной безопасности F серий Simatic S7-315F и S7-414FH, с применением необходимых программных и технических средств, соответствующих стандартам на построение систем подобного типа. Система представляет собой конструктив шкафного типа и размещается в отсеке автоматики ГПА (ESD ГПА)или в операторной КС (ESD КС). Для организации человеко – машинного интерфейса системы служат:

УДК 621.515

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

ГАЗОВОЙ И НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Данилейко В.И.; Довженко В.Н., канд. техн. наук; Королев В.С.;
Роговой Е.Д., канд. техн. наук; Парафейник В.П., канд. техн. наук


ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе», г.Сумы, Украина
В зависимости от назначения компрессора, конструктивного исполнения его корпуса и типа проточной части в агрегатах, производимых ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» (далее ОАО), применяются центробежные компрессоры (ЦК) на конечное давление газа от 0,2 до 50 МПа. Диапазон мощности компрессорных установок, для которых созданы ЦК, составляет от 400 до 25 000 кВт.

По назначению выпускаемые газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с ЦК предназначаются для линейных компрессорных станций (ЛКС); дожимных компрессорных станций (ДКС); станций подземного хранения газа (СПХГ); установок газлифта нефти; установок сбора и транспорта нефтяного газа; установок обратной закачки нефтяного газа для поддержания пластового давления; установок «сайклинг»-процесса; газоперерабатывающих заводов (ГПЗ).

Приводом компрессоров, в основном, служат газотурбинные двигатели различных типов, а также электродвигатели. Диапазон выходных давлений компрессоров для ЛКС, ДКС и СПХГ составляет от 2,0 до 20,0 МПа; для установок газлифта и транспорта нефтяного газа – от 5,5 до 12 МПа; для «сайклинг»-процесса – до 50 ч 55 МПа.



Первые ЦК природного газа типа НЦ-6,3 разработки СКБ-К (ЗАО «НИИтурбокомпрессор»), г. Казань, освоенные Сумским заводом тяжелого компрессоростроения (вошедшим впоследствии в состав ОАО), имели корпус сферической формы с горизонтальным разъемом и диаметром внутренней расточки 950 мм. Компрессоры такой конструкции надежны в эксплуатации и могут успешно применяться при конечном давлении до 5,5 (6,0) МПа. Увеличение давления в таком корпусе до величины 7,5 МПа, как показал опыт, требует дополнительных мероприятий, обеспечивающих усиление обжатия горизонтального разъема, таких как увеличение толщины шпилек, их длины и глубины отверстий в корпусе под завинчивание шпилек.

Однако, в корпусе компрессора типа НЦ-6,3 невозможно разместить более двух ступеней сжатия, поэтому для обеспечения установки многоступенчатых проточных частей был разработан параметрический ряд конструкций корпусов с горизонтальным разъемом (рис. 1).

Диапазон конечных давлений таких корпусов распространяется до 4 МПа, а при диаметре внутренней расточки корпуса 1250 мм – до 3 МПа. Параметрический ряд охватывает 13 базовых типов корпусов с горизонтальным разъемом с диапазоном диаметров внутренней расточки от 500 до 2000 мм, каждый из которых может иметь несколько исполнений по длине. В настоящее время в ОАО освоено производство 4-х типоразмеров таких корпусов, основные размеры которых представлены в табл. 1. В корпусах может размещаться от 4 до 6 ступеней с наружным диаметром рабочих колес 450 … 750 мм.
Таблица 1 - Габаритные размеры базового ряда компрессоров с горизонтальным разъемом корпуса*

База

D

A

B

C

E

F

G

H

I

L

Кол.
исп.
по L

DNвс

DNнаг

Примечание

19

950

2240

1250

800

1465

1105

205

645

400

1530

2

300

300




22

1100

2320

1360

850

1620

1160

245

760

400

1625

1

450

340

**

25

1250

2400

1700

925

1685

1210

250

920

400

1650

1

600

340




28

1400

2700

2110

1300/

1150

2065

1300

35

810

400

1700

1

800/500

400/400

***

Примечания: *- весь параметрический ряд состоит из следующих баз корпусов:

10, 11, 12, 13, 15, 17, 19, 22, 25, 28, 32, 36, 40, где номер базы обозначает диаметр внутренней расточки корпуса в мм разделенный на 50;

** - разработан проект;

*** - исполнение корпуса с 4-мя патрубками


.




Н
аиболее распространенными среди ЦК, производимых ОАО, являются компрессоры с вертикальным разъемом корпуса (рис. 2, фото 1). Первым компрессором такого типа был двухступенчатый компрессор НЦ-16/76-1,44 мощностью 16 МВт конечным давлением 7,45 МПа. Корпус компрессора имел базовый диаметр внутренней расточки 1450 мм и длину 2200 мм. В настоящее время существует 4 модификации этой базы корпусов.






Задачи развития газотранспортного машиностроения и увеличения объемов производства компрессоров различного назначения в ОАО потребовали применения унифицированных решений в процессе создания ЦК мощностью 6,3 ч 25 МВт.

В связи с этим был разработан ряд из 18 корпусов ЦК с базовым диаметром внутренней расточки от 500 до 2000 мм, в соответствии с которым производится проектирование новых компрессоров. Сейчас в производстве освоены 9 базовых корпусов и ряд их модификаций по длине; выполнены проекты еще 3-х базовых корпусов. Все корпусы с вертикальным разъемом спроектированы на конечное давление не менее 7,5МПа. Разработка таких корпусов на меньшее давление нецелесообразна, т.к. при утонении стенки технологическая жесткость корпуса становится недостаточной. При условии заказа компрессоров на более высокие давления, например 8,3 МПа, производится дополнительный расчет корпуса и, в случае необходимости, выполняется замена материала корпуса на более высокопрочный.

Основные размеры разработанного базового ряда корпусов представлены в табл. 2.

Таблица 2 -Габаритные размеры базового ряда компрессоров с вертикальным разъемом корпуса

База

D

A

B

C

E

F

G

H

I

L

Кол. исп. L

DNвс

DNнаг

Примечание

40

2000







































35

1750

3520

2290

2500

-

1500

700

1150

495

2900

1

700

700



32

1600

2785

2087

1900

-

1040

605

1100

535

2250

1

550

550




29

1450

2640

1840

1720

-

800

710

1000

440

2200

4

450

450



26

1300

2500

1720

1600

-

760

570

900

500

1900

1

450

450




24

1200







































22

1100

2650

1740

1485

1730

1100

470

1000

510

2000

4

380

380



20

1000

2140

1540

1250

-

590

425

800

535

1440

2

380

380



19

950

2290

1525

1400

-

660

500

850

490

1650

1

200

200




18

900

2040

1250

1100

1490

800

396

-

260

1595

1

200

190

● 

17

850

1800

1330

1800

-

0

600

700

100

1245

1

380

380



16

800

2078

1000

940

1240

627

363

-

625

1330

1

130

100

● 

15

750

1120

1130

1100

1050

200

270

570

230

740

1

100

100



14

700







































13

650

1702

970

880

1230

690

340

-

115

1350

1

125

80

● 

12

600







































11

550







































10

500







































Примечания: ●- освоено серийное производство;

- разработаны проекты;

-- перспективные разработки;

- наиболее распространенный вариант исполнения;

 - общее количество исполнений корпуса по длине;

 - расположение опорных лап по горизонтали оси корпуса.




Как следует из анализа данных, для наиболее часто используемых баз существует несколько вариантов корпусов по длине. Например, для базы «29» – три исполнения корпуса по длине: L = 2200 мм (две модификации по расстоянию между патрубками), L = 2800 мм и L = 3150 мм. Последний корпус предназначен для агрегатов ДКС, где отношение давлений газа в одном корпусе может достигать к=3,0 и более. На начальных этапах разработки месторождений в этом корпусе устанавливаются сменные проточные части (СПЧ) с к=1,25; 1,44; 1,7 и 2,2. Основные параметры СПЧ представлены в табл. 3.
Таблица 3 -Основные конструктивные и технологические параметры СПЧ для корпуса компрессора базы 29 длиной 3150 мм в составе агрегата ГПА-Ц5-16С


Параметры

СПЧ-16С/76-1,25

СПЧ-16С/76-1,44

СПЧ-16С/76-1,7

СПЧ-16С/76-2,2

СПЧ-16С/60-3,0

СПЧ-16С/30-3,0

Число ступеней, шт

1

2

3

4

7

6

Производительность, (0,101 МПа; +20˚С), млн.ст.м3/сут

47,7

32,8

19,9

12,1

7,79

7,44

Давление начальное, МПа

5,96

5,18

4,39

3,39

1,96

1,0

Давление конечное, МПа

7,45

7,45

7,45

7,45

5,89

3,0

Отношение давлений газа

1,25

1,44

1,7

2,2

3,0

3,0



Максимальная величина базового диаметра внутренней расточки, освоенного в производстве ЦК, составляет 1750 мм. Компрессор предназначен для ЛКС с агрегатами типа ГПА-Ц-25.

Конструкция компрессоров с вертикальным разъемом корпуса отличается высокой эффективностью и надежностью в работе при сжатии газа на ЛКС и ДКС, СПХГ, ГПЗ. Как показывает анализ газодинамических характеристик ЦК, уровень максимальных значений политропного КПД (в зависимости от назначения и параметров компрессора) находится в диапазоне значений 0,78…0,86.

Для снижения стоимости производимых на предприятии ЦК, кроме освоения унифицированного ряда корпусов, была осуществлена унификация основных узлов и деталей компрессоров. Общим для базовых корпусов сжатия являются: применение рабочих колес одного диаметра в пределах одной проточной части, унификация крышек, выходных концов валов, подшипников и их кожухов, уплотнений, использование однотипных конструктивных и технологических решений.

Создание базового ряда компрессоров и унификация компрессорного оборудования позволили резко сократить сроки освоения новой компрессорной техники. Сроки освоения могут быть также сокращены за счет прогнозирования поставок и создания задела базовых корпусов и других унифицированных узлов компрессора, а также сокращения сроков подготовки производства. Проектирование и подготовка производства при высоком уровне унификации осуществляются параллельно. Так, на стадии составления технического задания производятся расчеты для определения основных конструктивных размеров компрессора и выбора варианта базового корпуса. На основании выбранного корпуса производится расчет цены оборудования, а также выдача заявок на заготовки основных деталей компрессоров, где особое внимание уделяется заготовкам деталей с длительным циклом изготовления. Далее параллельно с выполнением уточненных расчетов, разработкой конструкторской и технологической документации производится приобретение или изготовление заготовок, их черновая обработка, испытание образцов и т.д. После выдачи техдокументации сразу начинается производственный процесс: изготовление, сборка, контроль, испытания. При существующем высоком уровне унификации проектирование ГПА с новыми параметрами зачастую сводится к проектированию только новой СПЧ.

При вышеуказанной схеме создания ЦК поставка унифицированного ГПА, оснащенного компрессором с новыми параметрами, может быть выполнена в течение 6 месяцев и менее после поступления заявки на поставку.

Рабочие колеса изготавливаемых роторов ЦК применяются исключительно закрытого типа. Соединение покрывного диска с лопатками осуществляется преимущественно путем сварки, а также пайки в вакууме. Основной принцип унификации рабочих колес заключается в сокращении номенклатуры заготовок и введении типовых рядов на отдельные элементы и размеры – на наружный диаметр D2, входной диаметр покрывного диска D0, диаметр лабиринтного уплотнения покрывного диска, геометрию основного диска и т.д. Изменение ширины рабочего колеса на выходе (b2) обеспечивается параллельным переносом покрывного диска. Параметры лопаточной решетки рабочего колеса практически не ограничиваются, так как их обработка осуществляется преимущественно на станках с ЧПУ, в т.ч. и пятикоординатных, а также копировальнофрезерных станках.

Для концевого уплотнения ротора компрессора применяются, в основном, уплотнения щелевого типа, с масляным затвором. В зависимости от величины запираемого давления газа, конструкция плавающих колец уплотнений может быть традиционной или с дополнительными опорными колодками. Для эффективного отбора тепла проток масла в зазорах уплотнений может быть увеличен протоком у внешней поверхности маслогазового кольца. Для уменьшения безвозвратных потерь масла и повышения надежности работы компрессора за счет исключения маслосистемы высокого давления широко используются торцовые газодинамические концевые уплотнения (ТГДУ) ротора ЦК. Такие уплотнения установлены уже в 30 компрессорах мощностью 6300…25000 кВт, работающих с частотами вращения ротора от 5000 до 14400 об/мин. В производстве находится еще 20 компрессоров с такими уплотнениями. Все модификации ТГДУ, установленные в ЦК, являются двухступенчатыми (тандемного типа) и состоят из идентичных по конструкции уплотнительных пар.

Для обеспечения работы ТГДУ компрессоры комплектуются специальными системами очистки и подвода газа, отвода утечек газа после первой и второй ступени, системами запирания замыкающих лабиринтных уплотнений, а также контрольно-измерительными системами. Для защиты первой ступени ТГДУ от возможных повреждений недостаточно очищенным технологическим газом используется система подачи буферного газа. Максимальный размер механических частиц в буферном газе должен быть не более 5 мкм, содержание капельной влаги не допускается. Обвязка систем ТГДУ выполнена трубами из нержавеющей стали. Все детали систем ТГДУ освоены в производстве в ОАО.

При реконструкции компрессоров, которые находятся в эксплуатации, возможна замена масляных концевых уплотнений на ТГДУ без дополнительной доработки вала ротора и торцевых крышек корпуса.

Конструктивной особенностью ряда выпущенных компрессоров является также применение электромагнитного подвеса ротора, что делает турбомашину полностью бессмазочной. Наработка лидерных компрессоров в безмасляном исполнении на КС «Сызрань» (ДП «Самаратрансгаз», ОАО «Газпром») составляет свыше 50 000 часов.

Применение бессмазочных компрессоров в составе агрегатов типа ГПА-Ц-16 обеспечивает существенную экономию масла, которая при годовом ресурсе работы 5 000 часов может достигать двух и более тонн в год. Повышается также и надежность работы агрегатов, поскольку отказы в маслосистемах смазки и уплотнений составляют значительную долю в статистике надержности работы оборудования. К настоящему времени выпущено 10 ГПА с такими компрессорами и еще 5 находится в производстве (разработчик и поставщик системы электромагнитного подвеса – НПП ВНИИЭМ, г. Москва).

В конструкции компрессоров ГПА предусмотрена возможность приспособления к конкретным условиям эксплуатации. Например, метановый компрессор, работающий в условиях низких температур, выполнен с использованием специальных сталей, что обеспечивает его надежную работу. Вал ротора компрессора также изготовлен из высоколегированной стали. Предусмотрена специальная обработка опорных шеек ротора с целью повышения их износостойкости. Учитываются также возможные изменения условий работы при эксплуатации месторождений природного газа. В частности, при изменении режимов работы магистрального газопровода в одном и том же корпусе могут устанавливаться СПЧ с различным количеством ступеней сжатия и, соответственно, с разными величинами отношения давлений.

Для реконструкции ГПА, установленных в капитальных зданиях, компрессоры поставляются в виде блоков-модулей. Это позволяет в полной мере учитывать специфику конструктивной и компоновочной схем обновляемой машины. Основными узлами и системами модуля, кроме собственно компрессора, являются: рама модуля; съемный или разборный контейнер; агрегаты и узлы маслосистем смазки и уплотнений (главные и пусковые маслонасосы, масляные фильтры, регуляторы перепада давления, маслоотводчики, аккумуляторы масла, перепускные клапаны, дегазаторы и другое оборудование); арматура и трубопроводы обвязки.

ЦК в виде отдельного модуля поставляются также для установки в новые ГПА блочно-контейнерного типа, которые изготавливаются другими предприятиями. В этом случае в комплектность поставки не включают шумозащитный контейнер.

Компрессорные установки нефтяной промышленности отличаются высокими значениями отношений давлений газа, которые достигаются путем применения многокорпусной схемы сжатия. В таких установках чаще всего используют сочетание компрессора низкого давления, наружный корпус которого имеет горизонтальный разъем, и компрессора высокого давления с корпусом вертикального разъема (фото 2). Такое сочетание корпусов упрощает обслуживание и разборку компрессорной установки. Однако, для компрессора низкого давления остается в силе ограничение по величине конечного давления газа. Поэтому при давлениях газа свыше 3,5…4,0 МПа корпус многоступенчатого компрессора низкого давления обычно имеет вертикальный разъем, что вызывает необходимость полного демонтажа компрессора при его разборке.

Для компрессоров с большими значениями отношения давлений (свыше 3,5…4) характерна высокая температура газа на выходе. Для снижения температуры обычно применяется разбивка проточной части компрессора на две секции (по 2…4 ступени) и вводится промежуточное охлаждение газа. У компрессоров с промежуточным охлаждением газа входные и выходные патрубки обеих секций, как правило, смещены с горизонтальной плоскости и располагаются под углом к ней.




Дальнейшее развитие конструкции и технологии изготовления ЦК предусматривает в первую очередь совершенствование методов проектирования проточных частей с использованием программных комплексов для расчета трехмерного течения в ступенях, входных и выходных устройствах компрессоров, а также для расчета газодинамических характеристик.

Разработка концевых уплотнений ротора ЦК предполагает повышение надежности и снижение стоимости изготовления ТГДУ. Также планируется применение этого вида уплотнений с рабочей парой реверсного типа. Перспективны для применения и масляные малорасходные торцевые уплотнения, разработка которых начата в ОАО.

В планах работ специалистов ОАО – повышение эффективности проточной части, совершенствование опорных и упорных подшипников, освоение конструкций ЦК с последовательно-параллельной схемой сжатия, повышение надежности и долговечности высоконагруженных деталей и узлов.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации