Способ определения минимального углового положения регулируемого соплового аппарата турбодетандерного агрегата Российский патент 2023 года по МПК F01D17/16 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть применено в турбодетандерном агрегате (ТДА) с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), входящим в состав установки низкотемпературной сепарации (НТС), являющейся частью установки комплексной подготовки газа (УКПГ).

Широко известны турбодетандерные агрегаты с РСА (Турбодетандер с поворотными лопатками. Справочник химика 21, https://www.chem21.info/pics/515971/. SU 188470, опубликовано 30.10.1985) состоящие из турбины с РСА и компрессора. На турбине ТДА происходит адиабатное расширение рабочего тела (природного газа) со снижением температуры рабочего тела до температуры, необходимой для НТС. На компрессоре происходит адиабатное сжатие (восстановление давления) рабочего тела за счет мощности, выработанной на турбине. Таким образом основной функцией ТДА является поддержание температуры НТС.

Основное регулирование режимов работы ТДА происходит за счет изменения разницы давлений рабочего тела на входе и выходе ТДА. При этом при увеличении разницы давлений на входе и выходе ТДА снижается температура НТС и увеличивается расход рабочего тела. Таким образом, в летний период при увеличении температуры наружного воздуха повышается температура рабочего тела на входе ТДА и для поддержания температуры НТС повышается разница давлений на входе и выходе ТДА. При этом происходит увеличение расхода рабочего тела. Для поддержания расхода рабочего тела в рабочем диапазоне технологической нитки НТС УКПГ используется РСА. Исходя из вышеизложенного, в летний период необходимо устанавливать РСА в минимальное положение.

От корректной установки минимального положения РСА зависит рабочий диапазон ТДА. На фиг. 1 представлена типовая характеристика ТДА с регулируемым аппаратом в координатах расход - перепад температур на турбине ТДА (рабочий диапазон ТДА). Рабочий диапазон ограничен минимальным расходом (G_min), максимальным расходом (G_max), минимальным положением РСА (PCA_min - линия 1), максимальным положением РСА (PCA_max - линия 4). Для поддержания рабочего режима в пределах рабочего диапазона производится регулирование РСА, например, при промежуточном положении РСА - линия 2 изменение расхода происходит вдоль линии 2 изменением разницы давления на входе и выходе ТДА. При корректной настройке минимального положения РСА при минимальном положении РСА рабочие режимы должны меняться вдоль линии 1.

В случае, когда РСА принимает минимальное положение, а рабочие режимы меняются вдоль линии 2, это свидетельствует о неполном закрытии РСА - имеет место сокращение рабочего диапазона от линии 1 до линии 2, что в свою очередь может не позволить поддержать необходимую температуру НТС при повышении температуры наружного воздуха и привести к вынужденной остановке технологической нитки НТС УКПГ.

Если же при минимальном положении РСА рабочие режимы меняются вдоль линии 3, это свидетельствует о закрытии РСА больше необходимого. В этом случае имеет место увеличение рабочего диапазона от линии 1 до линии 3, что, в свою очередь, позволит поддержать температуру НТС при более высокой температуре наружного воздуха, либо при неизменной температуре наружного воздуха позволит снизить температуру НТС. Однако, закрытие РСА приводит к увеличению газодинамических сил на ротор ТДА через рабочие лопатки турбины ТДА. Опорная система ротора ТДА не в состоянии демпфировать возросшие газодинамические силы, вследствие чего происходит аварийный останов ТДА. Таким образом, работа в диапазоне правее линии 1 снижает надежность ТДА.

В настоящее время выставление минимального положения РСА производится в соответствии с руководством по эксплуатации путем выставления проходного сечения между лопатками РСА, как показано на фиг. 2, на примере турбодетандер-компрессорного агрегата АДКГ-10 (Турбодетандер-компрессорный агрегат АДКГ-10 производства ОАО «Турбохолод», http://turbokholod.ru/product/adkg-10, дата обращения 11.01.2023), фиксированием положения кольца с пазами (поз. 1 фиг. 3) в крайних положениях на полное открытие и закрытие при ремонте ТДА

Однако, наличие нерегламентированных люфтов в сочленениях между направляющими лопатками и кольцом с пазами (поз. 1 фиг. 3), а также увеличение данных люфтов в процессе эксплуатации ТДА не позволяют гарантированно обеспечить проходное сечение. Основным недостатком данного способа выставления минимального и максимального положения РСА является то, что при работе ТДА газодинамические силы, действующие на направляющую лопатку РСА, увеличивают проходное сечение РСА на величину нерегламентированных люфтов.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы турбодетандерного агрегата, исключение повторного демонтажа и монтажа сменной проточной части с целью изменения настроек РСА, исключение явлений помпажа при запуске и останове агрегата, обеспечение области режимов работы ТДА при обеспечении надежности ТДА.

Указанная задача решается тем, что по способу определения минимального углового положения регулируемого соплового аппарата турбодетандерного агрегата, включающему выставление проходного сечения между лопатками регулируемого соплового аппарата фиксированием положения кольца с пазами, при запуске агрегата в работу производят закрытие регулируемого соплового аппарата с помощью кольца, после чего ведут расчет фактических значений коэффициента технического состояния турбодетандерного агрегата по параметру расхода при выходе на установившийся режим работы, в случае, если по результатам расчета коэффициент технического состояния турбодетандерного агрегата по параметру расхода > 1, производят итерационное открытие регулируемого соплового аппарата с минимально возможным шагом по условиям регулирования до достижения значения , а в случае, если < 1, производят итерационное закрытие регулируемого соплового аппарата с минимально возможным шагом по условиям регулирования до достижения значения и полученное в результате угловое положение принимают за минимальное.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в повышении эффективности работы турбодетандерного агрегата, исключении повторного демонтажа и монтажа сменной проточной части с целью изменения настроек РСА, исключении явлений помпажа при запуске и останове агрегата, обеспечении области режимов работы ТДА при обеспечении надежности ТДА.

Алгоритм расчёта коэффициента технического состояния ТДА по параметру расхода:

Применение функции (2) обусловлено постоянством функции при изменении режимов работы ТДА. Вид функции определяется по результатам испытаний и соответствию рабочего диапазона условиям ТУ (или иной регламентирующей документации).

где P_1T - абсолютное давление на входе в турбину ТДА [МПа];

T_1T - температура на входе в турбину ТДА [К];

RZ_1T - комплекс газовой постоянной с учетом коэффициента сжимаемости газа по условиям на входе [кДж / кг * К] (определяется согласно ПР 51-31323949-99);

G_ТДА - расход газа через турбодетандер [кг / с].

Абсолютное давление на входе в турбину ТДА определяется по формуле:

где Р`_1т - избыточное давление на входе в турбину ТДА, МПа.

Температура на входе в турбину ТДА определяется по формуле:

где t_1т - температура на входе в турбину ТДА, °С.

Абсолютное давление на выходе из турбины ТДА определяется по формуле:

где Р`_2т - избыточное давление на выходе из турбины ТДА, МПа.

Степень расширения турбины ТДА определяется по формуле:

Значения , G_ТДА принимаются по результатам измерения штатными средствами измерений.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть применено в турбодетандерном агрегате с регулируемым сопловым аппаратом, входящим в состав установки низкотемпературной сепарации, являющейся частью установки комплексной подготовки газа. Согласно способу, включающему выставление проходного сечения между лопатками регулируемого соплового аппарата фиксированием положения кольца с пазами, при запуске агрегата в работу производят закрытие регулируемого соплового аппарата с помощью кольца, после чего ведут расчет фактических значений коэффициента технического состояния турбодетандерного агрегата по параметру расхода при выходе на установившийся режим работы, в случае если по результатам расчета коэффициент технического состояния турбодетандерного агрегата по параметру расхода > 1, производят итерационное открытие регулируемого соплового аппарата с минимально возможным шагом по условиям регулирования до достижения значения , а в случае если < 1, производят итерационное закрытие регулируемого соплового аппарата с минимально возможным шагом по условиям регулирования до достижения значения и полученное в результате угловое положение принимают за минимальное. Предлагаемый способ повышает эффективность работы турбодетандерного агрегата. 3 ил.

Способ определения минимального углового положения регулируемого соплового аппарата турбодетандерного агрегата, включающий выставление проходного сечения между лопатками регулируемого соплового аппарата фиксированием положения кольца с пазами, отличающийся тем, что при запуске агрегата в работу производят закрытие регулируемого соплового аппарата с помощью кольца, после чего ведут расчет фактических значений коэффициента технического состояния турбодетандерного агрегата по параметру расхода при выходе на установившийся режим работы , в случае если по результатам расчета коэффициент технического состояния турбодетандерного агрегата по параметру расхода больше 1, производят итерационное открытие регулируемого соплового аппарата с минимально возможным шагом по условиям регулирования до достижения значения равно 1, а в случае если меньше 1, производят итерационное закрытие регулируемого соплового аппарата с минимально возможным шагом по условиям регулирования до достижения значения равно 1 и полученное в результате угловое положение принимают за минимальное.