Расширение Пунгинской ПХГ подземного хранилища газа

Содержание

Введение

1. Исходные данные теплового расчета

1.1 Уточненный расчет тепловой схемы на номинальный режим

1.2 Моделирование компрессора

2. Газодинамический расчет турбины

2.1 Предварительный расчет

2.2 Газодинамический расчет ступеней по среднему диаметру

2.3 Выбор и расчет закона закрутки для каждой из ступеней

3. Профилирование лопаток ТВД и ТНД

3.1 Расчет потерь энергии, КПД и мощности турбины

4. Расчет на прочность диска ТВД

5. Спецтема: Расширение Пунгинского ПХГ (подземного хранилища газа)

5.1. Схема работы ПХГ

5.2. Расчёт количества эксплуатационных скважин для вывода ПХГ на режим циклической эксплуатации с активным объемом газа 3,5 млрд. м³ и производительностью 35 млн. м³ /сут.

Заключение

Библиографический список

В настоящей работе представлен проект газотурбинной установки мощностью N=10 МВт, предназначенной для привода нагнетателя природного газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Проект газотурбинной установки выполнен по регенеративному циклу, то есть с использованием тепла отходящих газов для подогрева атмосферного воздуха, поступающего в камеру сгорания после осевого компрессора.

Выполнены и представлены:

расчёт тепловой схемы ГТУ с выбором оптимальной степени

сжатия компрессора;

газодинамический расчёт турбины;

моделирование компрессора;

расчет на прочность диска ТВД;

по специальной теме: обоснование и схема расширения Пунгинского ПХГ;

мероприятия по безопасности и экологичности проекта;

графические документы.

В ведение

Перспективы развития газопроводного транспорта огромны. В последние годы выпуск газотурбинных установок (ГТУ) для компрессорных станций (КС) уменьшается. На КС поступали ГТУ большой мощности и производительности, вынужденная остановка которых или длительный простой в ремонте снижает технико-экономические показатели не только КС, но и системы газопроводов в целом.

Сооружение многопоточных газопроводов большой протяженности, в том числе и экспортных, сопровождается постановкой новых задач по проектированию мобильных ГПА при сооружении газотранспортных сетей, по охране окружающей среды, а также по эффективной эксплуатации всего оборудования.

Одной из главных проблем сегодняшнего времени является охрана окружающей среды. Главным источником загрязнения атмосферы в газопроводной транспортной промышленности являются ГТУ, в том числе и установка ГТК-10-4, поставленная на серийное производство еще в 1968 году. Установка ГТК-10-4 была совершенной для своего времени, за исключением некоторых недоработок. В конце 90-х годов началась модернизация топливной системы этих установок и систем управления.

Особенности работы газотурбинного привода в наилучшей степени отвечают требованиям эксплуатации газотранспортных систем: высокая единичная мощность, небольшая относительная масса, высокий уровень автоматизации и надежности, автономность привода и работа его на перекачиваемом газе. Именно поэтому этот вид привода получил наибольшее распространение на газопроводах.

Модернизация газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистрального газопровода с улучшением их технико-экономических показателей позволяет снизить себестоимость транспорта газа, обеспечивать безопасные условия эксплуатации основного и вспомогательного оборудования в компрессорном цехе, решать задачи по охране окружающей среды, повышать культуру производства.

Нормативные ссылки В настоящем курсовом проекте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 12.1 004-91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.

ГОСТ 12.2 003-91 ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.4 011-89 ССБТ. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация.

ГОСТ 17.1.3.13-86 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных вод от загрязнений.

ГОСТ 380-94 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки.

ГОСТ 3342-79 Соединения сварные. Методы контроля качества.

ГОСТ 6996-66 Сварные соединения. Методы определения механических свойств.

ГОСТ 14192-96 Маркировка грузов.

ГОСТ 14637-89 Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества. Технические условия.

ГОСТ 19903-74 Прокат листовой горячекатаный. Сортамент.

ГОСТ 19904-90 Прокат листовой холоднокатаный. Сортамент.

ГОСТ 23118-99 Конструкции металлические строительные. Общие технические условия.

СНиП II-23-81Стальные конструкции.

НПБ III-98 Автозаправочные станции. Требования пожарной безопасности.

ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах ЭВМ.

ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

ГОСТ 2.104-68 ЕСКД. Основные надписи.

ГОСТ 2.113-75 ЕСКД. Групповые и базовые конструкторские документы.

ГОСТ 2.124-85 ЕСКД. Порядок применения покупных изделий.

ГОСТ 2.301 - 68 ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 2.601 - 95 ЕСКД. Эксплуатационные документы.

ГОСТ 2.602 - 95 ЕСКД. Ремонтные документы.

ГОСТ 2.120 - 73 ЕСКД. Технический проект

ГОСТ 2.301 - 68 ЕСКД. Форматы

ГОСТ 2.302 - 68 ЕСКД. Масштабы

ГОСТ 2.303 - 68 ЕСКД. Линии

ГОСТ 2.304 - 81 ЕСКД. Шрифты чертежные

ГОСТ 2.305 - 68 ЕСКД. Изображение -виды, размеры, сечения

ГОСТ 3.1201 - 85 ЕСТД. Система обозначения технической документации.

ГОСТ 3.1105 - 84 ЕСТД. Формы и правила оформления документов общего назначения.

ГОСТ 3.1127 - 93 ЕСТД. Общие правила выполнения текстовых технологических документов.

ГОСТ 3.1128 - 93 ЕСТД. Общие правила выполнения графических технологических документов.

ГОСТ 3.1201 - 85 ЕСТД. Система обозначения технологической документации.

ГОСТ 8.417-2002 ГСИ. Единицы величин.

ГОСТ 19.104-78 ЕСПД. Основные надписи.

ГОСТ 19.202-78 ЕСПД. Спецификация. Требования к содержанию и оформлению.

ГОСТ 19.404-79 ЕСПД. Пояснительная записка. Требования к содержанию и оформлению.

ГОСТ 19.502-78 ЕСТД. Описание применения. Требования к содержанию и оформлениям.

ГОСТ 7.1 - 84 Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления.

ГОСТ 21.101-97 СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации.

ГОСТ 21.110-95 СПДС. Правила выполнения спецификаций оборудования, изделий и материалов.

ГОСТ 21.205-93 СПДС. Технология производства. Основные требования к рабочим чертежам.

ОК (МК (ИСО/ИНФКО МКС) 001-96) 001-2000 Общероссийский классификатор стандартов.

ОК 005-93 Общероссийский классификатор продукции.

ОК 012-93 Общероссийский классификатор изделий и конструкторских документов.

ОК 015-94 Общероссийский классификатор единиц измерения.

1. Исходные данные теплового расчета

Таблица 1.1

На основании опыта УЗТМ и научно-исследовательских организаций по созданию ГТУ задаёмся необходимыми теплофизическими коэффициентами (табл.1.2).

Таблица 1.2. Необходимые теплофизические коэффициенты

В качестве расчетной величины принимаем значение , оптимальное, как по КПД, так и по эффективной мощности. Результаты расчета представлены в табл.1.3

Таблица 1.3. Данные предварительного расчета тепловой схемы

Обозначение	Значение	Обозначение	Значение
	4,400		3,982
	0,527		0,290
	177,9		315,2
	285,0		791,5
	464,5		693,4

1.1 Уточненный расчет тепловой схемы на номинальный режим

Номинальное значение .

КПД турбомашины принимаем в соответствии с заданием: ,

Из предварительного расчета:

Для воздуха:

Для газа:

Подвод тепла в КС при:

составит:

;

Из уравнения баланса мощностей:

Удельная полезная работа:

Расход воздуха при 10 МВт составит

1.2 Моделирование компрессора

Осевой компрессор проектируемого ГПА при нормальных атмосферных условиях (Р_о =0,1013Мпа; Т_о =285К) должен обеспечивать следующие характеристики работы в расчетном режиме:

массовый расход воздуха;

степень повышения давления;

КПД компрессора.

Воздушный осевой компрессор должен работать в диапазоне применяемого приведенного расхода 0,8 … 1,09 от расчетного значения.

Для создания проточной части воздушного осевого компрессора в качестве модели используем проточную часть воздушного осевого компрессора газотурбинной установки ГТК-10-4, выпускаемой НЗЛ.

Моделирование осевого компрессора проектируемой установки можно провести двумя способами:

В качестве точки моделирования на характеристике осевого компрессора выбрать прежнюю расчетную точку, ввести коэффициент моделирования m и уменьшить частоту вращения ротора на этот коэффициент.

Расчетную точку на характеристике компрессора сместить по частоте вращения ротора; при этом размеры компрессора остаются прежними.

Наиболее оправданным является выбор первого варианта, так как он не приводит к снижению КПД, в то время как второй вариант ведет к снижению КПД на 1-1,5%.

Определим коэффициент моделирования

где:

G проект = 83,72 кг/с - расход воздуха через проектный компрессор;

G модель = 86,20 кг/с - расход воздуха через модельный компрессор;

Т_В проект = 288 К - температура воздуха на входе в проектный компрессор;

Т_В модель = 288 К - температура воздуха на входе в модельный компрессор;

Р₁ проект = 101,3 кПа - давление воздуха на входе в проектный компрессор;

Р₁ модель= 101,3 кПа - давление воздуха на входе в модельный компрессор;

Частоту вращения проектного воздушного осевого компрессора определим используя следующее соотношение:

2. Газодинамический расчет турбины

2.1 Предварительный расчет

Чтобы распределить теплоперепад между ступенями, необходимо определить степень понижения давления, расход газа, работу расширения газа в турбине, полезную работу и полезную мощность этой турбины. Часть данных известна из задания и теплового расчета. Результаты предварительного расчета сведены в табл.2.1

Давление газа перед турбиной

Данные предварительного расчета

Наименование величины	Формула	Обозн	Разм.	Величина
Температура газа перед турбиной	задано	Т0 *	К	1063
Давление газа перед турбиной	найдено	Р0 *	МПа	0,4236
Полная мощность турбины	задано	N	МВт	10
Частота вращения ротора ТВД	задано	nТВД	об/мин	5280
Частота вращения ротора ТНД	задано	nТНД	об/мин	4800
Атмосферное давление	задано	Ра *	Па	101300
Расход газа через турбину	из расчета		кг/с	82,83
Степень расширения	из расчета	Т	-	3,982
Адиабатический теплоперепад в турбине		Hад *	кДж/кг	358,1
Полная температура газа за турбиной		ТZ *	K	791,5
Давление за выходным трактом	Р0 * /Т	РТ *	МПа	0,106
Удельный объем газа за турбиной	RТZ * /РТ *	Т	м3 /кг	2,143
Скорость перед диффузором	задано	СZ	м/с	220
Скорость в выходном патрубке	задано	СВЫХ	м/с	50
КПД выходного диффузорного патрубка	задано	Д	-	0,5
Потеря полного давления в диффузоре		РД	Па	5355
Полное давление за ступенью		РZ *	Па	111737
Давление за последней ступенью		РZ	МПа	0,100
Адиабатический теплоперепад в турбине по параметрам торможения		Hад 1- z	кДж/кг	370,5

Распределим теплоперепад по турбинам, исходя из теплового расчета ГТУ, из которого известен теплоперепад на ТНД.

Н_ТНД = 125,75 кДж/кг;

H_ТВД = H_Т - Н_ТНД = 315,15-125,75=189,40 кДж/кг.

Кинематические параметры, принимаемые перед газодинамическим расчётом, сводим в табл.2.2

Таблица 2.2. Кинематические параметры

Наименование	Обозначение	Разм.	ТВД	ТНД
Угол выхода потока из сопел	1	град.	17,40	22,44
Степень реактивности ступени		-	0,350	0,485
Скорость выхода потока из РК	С2а	м/с	183,6	171,0

Для стационарных ГТУ КПД турбины возрастает при понижении выходной скорости. Величина этой скорости при заданном расходе и параметрах газа на выходе определяется торцевой площадью последней ступени, которая в свою очередь связана с прочностью рабочих лопаток.

Определим корневой диаметр ступени ТВД:

w = pn/30 = 542,4

w = p*5280/30 = 552,9 рад/с;

Определим корневой диаметр ступени ТНД:

w = pn/30;

w = p*4800/30 = 502,7 рад/с;

2.2 Газодинамический расчет ступеней по среднему диаметру

Распределив теплоперепад и задав кинематические параметры, можно произвести газодинамический расчет по среднему диаметру, результаты которого сведены в табл.2.3

Таблица 2.3. Результаты газодинамического расчета по среднему диаметру

Наименование величины	Формула	Обозн	Разм.	ступень ТВД	ступень ТHД
1	2	3	4	5	6
Адиабатический теплоперепад ступени	найден	hст ад	кДж/кг	189,4	125,8
Полная температура за ступенью		Т2 *	К	919,4	819,7
Полное давление за ступенью		Р2 *	Па	217929	131826
Осевая составляющая скорости за РЛ	задаемся	С2а	м/с	183,6	171,0
Статическая температура за РЛ		Т2	К	904,9	807,1
Статическое давление за РЛ		Р2	Па	202602	123180
Удельный объем РЛ		V2	м3 /кг	1,286	1,887
Ометаемая площадь на выходе из РЛ		F2а	м2	0,574	0,914
Высота РЛ		lр	м	0,153	0,244
Веерность ступени		Dl	-	7,794	4,897
Окружная скорость на среднем диаметре РЛ		U2	м/с	329,8	300,0
Адиабатический теплоперепад в соплах		hс ад	кДж/кг	123,1	64,8
Степень реактивности на среднем диаметре	принимаем	cp	-	0,350	0,485
Скорость газа на выходе из сопел		С1	м/с	486,3	352,7
Угол выхода потока из сопел	Принимаем	1	град	17,40	22,44
Осевая составляющая скорости за СА		C1а	м/с	145,4	134,6
Статическая температура за СА		Т1	К	961,1	865,8
Статическое давление за СА		Р1	Па	277574	169384
Удельный объем за СА		V1	м3 /кг	0,997	1,472
Ометаемая площадь на выходе из СА		F1а	м2	0,554	0,906
Высота сопловой лопатки		lc	м	0,148	0,242
Окружная скорость на среднем диаметре СА		U1	м/с	328,5	299,6
Коэффициент расхода для СА		C1а-	-	0,443	0,449
Окружная проекция абсолютной скорости		С1u	м/с	464,0	326,0
Окружная проекция относительной скорости		W1u	м/с	135,5	26,4
Угол входа потока на РЛ		1	град	47,02	78,89
Скорость выхода потока на РЛ		W1	м/с	198,8	137,2
Скорость выхода потока из РЛ		W2	м/с	394,1	356,5
Угол выхода потока из РЛ		2	град	27,77	28,67
Окружная проекция относительной скорости		W2 U	м/с	348,7	312,8
Окружная проекция абсолютной скорости		C2 U	м/с	18,86	12,76
Угол выхода потока за РЛ		2	град	84,1	85,7
Скорость выхода потока		C2	м/с	184,6	171,5
Скорость звука в потоке за РЛ		a2	м/с	588,7	556,0
Число Маха за РЛ		MС2	-	0,314	0,308
Скорость звука на выходе из СА		a1	м/с	606,8	575,9
Число Маха на выходе из СА		MС1	-	0,801	0,612
Температура заторможенного потока на РЛ		T1 W *	К	978,2	873,9
Ширина РЛ на среднем диаметре		Bp cp	м	0,046	0,073
Передний осевой зазор		S1	м	0,016	0,026
Ширина сопел на среднем диаметре		BC cp	м	0,051	0,080
Задний осевой зазор		S2	м	0,024	0,038

2.3 Выбор и расчет закона закрутки для каждой из ступеней

Выполненный расчет ступеней по среднему диаметру определяет требования к геометрии лопаток только в одном сечении - среднем. У корня и на периферии условия обтекания будут отличаться. Поэтому производим расчет ступени с учетом закрутки. Лопаточные аппараты профилируются так, чтобы обеспечить радиальное равновесие потока в межвенцовых зазорах. За счет безударного обтекания рабочих лопаток и предупреждения побочных течений газа в ступени экономичность ступени повышается. Закрутка приводит к увеличению степени реактивности ступени от корневого сечения к периферии.

Для обеих ступеней принимаем закон постоянства осевой составляющей скорости выхода газа из сопел, то есть C_{1 a} (r) = const. Результаты расчетов закрутки в трех сечениях для ступени ТВД сведены в табл.2.4

Изменение основных параметров потока по высоте лопатки ступени ТВД и ТНД представлены на рис.2.1., 2.2., 2.3., 2.4., 2.5., 2.6 .

Таблица 2.4. Результаты расчета закрутки лопаток ТВД

Наименование величины	Формула	Обозн	Разм.	Сечение
				корн.	средн.	периф.
1	2	3	4	5	6	7
Относительный радиус		r	-	0,872	1,000	1,128
Угол выхода потока из сопел		1	град	15,28	17,40	19,47
Осевая составляющая скорости за СА		C1а	м/с	145,4	145,4	145,4
Окружная проекция абсолютной скорости		C1 U	м/с	532,3	464,0	411,3
Скорость газа на выходе из сопел		C1	м/с	551,8	486,3	436,2
Осевая составляющая скорости за РЛ		C2а	м/с	183,6	183,6	183,6
Окружная скорость		U1	м/с	286,4	328,5	370,7
Адиабатический теплоперепад на соплах		hc ад	кДж/кг	158,5	123,1	99,1
Термодинамическая степень реактивности		т	-	0,163	0,350	0,477
Угол входа потока на РЛ		1	град	30,59	47,02	74,41
Скорость входа потока на РЛ		W1	м/с	285,7	198,8	151,0
Скорость выхода потока из РЛ		W2	м/с	359,7	394,1	428,5
Угол выхода потока из РЛ		2	град	30,70	27,77	25,37
Окружная проекция относительной скорости		W2 U	м/с	309,3	348,7	387,2
Окружная проекция абсолютной скорости		C2 U	м/с	-20,54	18,86	57,35
Угол выхода потока за РЛ		2	град	96,38	84,13	72,66
Кинематическая степень реактивности		кин	-	0,035	0,323	0,523
Удельная работа на ободе		hU	кДж/кг	146,6	158,7	173,7
Скорость выхода потока (абсолютная)		C2	м/с	184,8	184,6	192,4
Статическая температура за СА		T1	К	931,8	961,1	981,0
Статическое давление за СА		P1	МПа	243739	277574	302496
Температура заторможенного потока на РЛ		T1 W *	К	967,0	978,2	990,8
Скорость звука на выходе из СА			м/с	597,4	606,8	613,0
Число Маха на выходе из СА			-	0,924	0,801	0,712
Скорость звука на входе в РЛ			м/с	597,4	606,8	613,0
Число Маха на входе в РЛ			-	0,478	0,328	0,246

Результаты расчетов закрутки в трех сечениях для ступени ТНД сведены в таблицу 2.5.

Таблица 2.5. Результаты расчета закрутки лопаток ТНД

Наименование величины	Формула	Обозн	Разм.	Сечение
				корн.	средн.	периф.
1	2	3	4	5	6	7
Относительный радиус		r	-	0,796	1,000	1, 204
Угол выхода потока из сопел		1	град	18,2	22,4	26,4
Осевая составляющая скорости за СА		C1а	м/с	134,6	134,6	134,6
Окружная проекция абсолютной скорости		C1 U	м/с	409,6	326,0	270,7
Скорость газа на выходе из сопел		C1	м/с	431,2	352,7	302,3
Осевая составляющая скорости за РЛ		C2а	м/с	171,0	171,0	171,0
Окружная скорость		U1	м/с	238,4	299,6	360,7
Адиабатический теплоперепад на соплах		hc ад	кДж/кг	96,8	64,8	47,6
Термодинамическая степень реактивности		т	-	0,230	0,485	0,622
Угол входа потока на РЛ		1	град	38,17	78,89	123,76
Скорость входа потока на РЛ		W1	м/с	217,8	137,2	161,9
Скорость выхода потока из РЛ		W2	м/с	308,4	356,5	405,9
Угол выхода потока из РЛ		2	град	33,68	28,67	24,92
Окружная проекция относительной скорости		W2 U	м/с	256,6	312,8	368,1
Окружная проекция абсолютной скорости		C2 U	м/с	-43,41	12,76	68,10
Угол выхода потока за РЛ		2	град	104,2	85,7	68,3
Кинематическая степень реактивности		кин	-	0,050	0,477	0,719
Удельная работа на ободе		hU	кДж/кг	87,3	101,5	122,2
Скорость выхода потока (абсолютная)		C2	м/с	176,4	171,5	184,1
Статическая температура за СА		T1	К	839,3	865,8	880,0
Статическое давление за СА		P1	МПа	148665	169384	181358
Температура заторможенного потока на РЛ		T1 W *	К	859,8	873,9	891,3
Скорость звука на выходе из СА			м/с	567,0	575,9	580,6
Число Маха на выходе из СА			-	0,760	0,612	0,521
Скорость звука на входе в РЛ			м/с	567,0	575,9	580,6
Число Маха на входе в РЛ			-	0,384	0,238	0,279

3. Профилирование лопаток ТВД и ТНД

В основе расчета лежит методика, разработанная специалистами авиапромышленности и основанная на результатах статического анализа геометрических параметров профилей большого числа реально выполненных, тщательно отработанных и испытанных ступеней.

Исходными данными для расчета геометрических параметров профилей являются результаты газодинамического расчета ступени по сечениям.

Расчет производим на ЭВМ. Результаты расчета профилей лопаток ТВД и ТНД сводим в табл.3.1 и 3.2 .

Таблица 3.1. Геометрические параметры профилей рабочих лопаток ступени ТВД