К. К. Холл, В. Л. Шелдон – Caterpillar Inc.

Компрессорная установка, объединяющая газопоршневой двигатель с поршневым компрессором, является эффективной и гибкой, что недостижимо при комбинации компрессора с другими типами приводных агрегатов. В статье описывается газовое хранилище, в котором для подачи и отбора газа применяются поршневые компрессорные установки с приводом от газопоршневого двигателя.

Поршневые компрессоры для газового хранилища
Условия эксплуатации в подземном хранилище газа предъявляют к газокомпрессорному оборудованию высокие требования. Прежде всего это связано с изменяющимися условиями всасывания и нагнетания для компрессора, который часто должен работать как в режиме подачи, так и в режиме отбора газа из хранилища.
Эксплуатационные режимы компрессора также меняются в течение одного цикла подачи или отбора газа. При подаче газа давление на выходе компрессора изменяется по мере заполнения резервуара, в то время как давление на всасывании зависит от давления в подающем трубопроводе. При отборе газа давление всасывания компрессора связано с параметрами хранилища, а условия на нагнетании зависят от расхода газа в отводящем трубопроводе. В связи с тем что на работу компрессора влияют многочисленные факторы, гибкость является очень важным качеством для компрессорной установки ПХГ.
В газовом хранилище обычно применяются центробежные или поршневые компрессоры. Центробежные компрессоры являются оптимальным вариантом для процессов, где необходимы высокие коэффициенты расхода газа при относительно низких степенях сжатия (нагнетание/всасывание). Степень сжатия 1,4 типична для этого типа компрессоров. Они работают на более высоких оборотах и поэтому обычно приводятся в действие газовыми турбинами или электродвигателями.
Поршневые компрессоры могут иметь различную конфигурацию, что позволяет им работать в широком диапазоне расходов газа и степеней сжатия. Двух-, четырех- и шестиходовые модели могут быть скомпонованы для работы в одноступенчатом или многоступенчатом режиме, который позволяет достигнуть степеней сжатия 4 или более. Поршневые компрессоры обычно работают на более низких оборотах. Удовлетворительная работа обеспечивается при условии, когда скорость вращения вала двигателя регулирует коэффициент расхода газа. Все это является причиной того, что такие компрессоры часто приводятся в действие поршневыми двигателями.

Поршневые двигатели для газового хранилища
Поршневые двигатели (ПД) обеспечивают эксплуатационную гибкость, что позволяет использовать их в качестве привода для поршневого компрессора. Они могут изменять рабочую скорость вращения, необходимую для привода компрессора, во всем диапазоне коэффициентов расхода газа. Кроме того, рабочий диапазон скоростей ПД близок к диапазону скоростей соответствующего по размеру поршневого компрессора. Для соединения двигателя и компрессора не требуется редуктор или другое оборудование для согласования скоростей вращения. Поршневые двигатели имеют высокий тепловой КПД, что снижает стоимость их эксплуатации. Caterpillar предлагает два больших семейства поршневых двигателей, работающих на природном газе, – Cat G3600 и Cat GCM34. Они полностью соответствуют требованиям, предъявляемым к современным хранилищам газа. Их стандартные характеристики допускают эксплуатацию в условиях высоких температур окружающего воздуха без существенного снижения мощности. Двигатели обеих конструкций обеспечивают постоянный крутящий момент в широком диапазоне скоростей вращения и высокую топливную экономичность.
В семействе двигателей Cat G3600 предлагаются 6-, 8-, 12- и 16-цилиндровые модели мощностью от 1,3 до 3,7 МВт при частоте вращения 1000 об/мин. С начала появления (в 1991 г.) они получили широкое распространение благодаря гибкости, эффективности и надежности. В настоящее время в мире находится в эксплуатации более 1600 установок. Двигатели Cat G3600 широко используются в Северной Америке для компримирования газа на магистральных газопроводах и в подземных хранилищах газа.
В семействе Cat GCM34 предлагаются 12- и 16-цилиндровые модели мощностью от 4,5 до 6,1 МВт при 750 об/мин. Представленные в 2000 г. двигатели GCM созданы с использованием проверенных технологий семейства G3600 – они имеют преимущества этого семейства при больших мощностях. Модель этого ряда создана на основе судового дизельного двигателя М32 производства MaK (в настоящее время Caterpillar Motoren). Она разработана в сотрудничестве с Caterpillar Motoren, при этом был использован более чем 50-летний опыт Caterpillar в создании газовых двигателей. Результатом стала успешная разработка конструкции камеры сгорания, процесса горения газовой смеси, а также системы управления зажиганием и процессом горения. Как и Cat G3600, модель GCM используется на газовых хранилищах Северной Америки.
Хранилище Jefferson Island Storage & Hub (JISH) находится вблизи южного побережья США, в г. Эрат. Оно расположено возле точки ввода природного газа трубопровода Henry Hub. Хранилище состоит из двух бывших соляных выработок, объединенный объем которых составляет 260 млн м³, при этом предполагаемый объем рабочего газа примерно 195 млн м³. Пропускная способность составляет около 20 млн м³ отбора и 10 млн м³ подачи в день [1].
Система коллекторов хранилища JISH связана с восьмью трубопроводами, а также имеет доступ к газопроводу Henry Hub через трубопровод Sabine [1].
Газокомпрессорные установки, первоначально поддерживавшие работу единственного газохранилища, были установлены в 1993 г. Два газовых двигателя Waukesha AT27GL приводят в действие двухступенчатые шестиходовые рамные компрессоры HOS (Dresser-Rand). Аналогичная третья установка была введена в эксплуатацию через год. В связи с использованием для газохранилища второй соляной выработки, в конце 1990-х годов был установлен газовый двигатель Cat G3612, который приводит в действие компрессор HOS (фото 1, 2).
В 2005 г. была смонтирована другая установка, состоящая из двигателя Cat G16CM34 и двухступенчатого шестиходового поршневого компрессора JGV-6 компании Ariel (фото 3, 4). Реконструкция оборудования обеспечила оптимальные возможности хранилища по подаче и отбору газа.

Установка G3612
Привод Cat G3612 представляет собой четырехтактный газовый двигатель с искровым зажиганием, работающий на обедненных смесях, с диаметром цилиндра и ходом поршня 300 мм. Его мощность составляет 2647 кВт при частоте вращения 1000 об/мин и температуре охлаждающей жидкости на входе теплообменника последней ступени наддува 54 °C. Двигатель может работать с 25%-м снижением скорости при сохранении постоянного номинального крутящего момента от номинальной скорости вращения до 750 об/мин.
Система горения имеет предкамерное сгорание обогащенной смеси и газовые впускные клапаны для воспламенения сильно обедненной воздушно-топливной смеси и снижения расхода топлива и вредных выбросов. Электронная система управления контролирует подачу топлива и воздуха, а также процесс горения в цилиндре (соотношение воздух/топливо). Эти системы позволяют двигателю обеспечить при полной нагрузке удельные выбросы NO_x и CO, соответственно, 0,94 и 3,35 г/кВт·ч.
Компрессор HOS с шестью кривошипами имеет две ступени, расположенные поперек рамы, и является частью установки (производства CFM Compression Systems, Inc), которая была изготовлена в виде единого блока, смонтированного на раме.
После нескольких лет работы электронная система управления двигателя была заменена системой ADEM A3, которая основана на современных технологиях. Она является более надежной и обеспечивает возможность обмена данными с внешними устройствами.

Установка G16CM34
Высокоэффективный, экологически чистый двигатель Cat G16CM34 был разработан для привода компрессоров газовых хранилищ и трубопроводного транспорта газа, а также для энергетических установок. В настоящее время в отрасли эксплуатируется 35 двигателей этой модели, а газохранилище JISH стало первым, где применяется такой двигатель.
Cat G16CM34 – это экономичный четырехтактный газовый двигатель с искровым зажиганием; диаметр цилиндра 340 мм, ход поршня 420 мм. Проект двигателя был разработан после успешного внедрения предкамерной системы горения обедненной смеси двигателей семейства Cat G3600. В отличие от механического привода впускных газовых клапанов этих двигателей, в конструкции Cat G16CM34 для подачи необходимого количества газа в каждый цилиндр используются клапаны с индивидуальным электромагнитным управлением (SOGAV). Это обеспечивает высокую эффективность, приемлемую детонационную границу и низкий уровень выбросов (удельные выбросы NO_x и CO при полной нагрузке двигателя составляют 1,0 и 2,54 г/кВт·ч соответственно).
По конструкции двигатель для компримирования газа подобен двигателю генераторной установки. Различия касаются характеристик турбонагнетателя, системы управления соотношением воздух/топливо, объединенного модуля охлаждения и смазки, пульта управления агрегата [2]. Возможность применения доступного высококачественного топлива позволила использовать в конструкции двигателя высокую степень сжатия – 11. Мощность Cat G16CM34 составляет 6100 кВт при 750 об/мин и температуре охлаждающей жидкости на входе теплообменника последней ступени наддува 39 °C. Как и Cat G3600, двигатель может работать с 25%-м снижением скорости, поддерживая постоянный номинальный крутящий момент в диапазоне от 750 до 562 об/мин (рис. 1).
Характеристики двигателя, определенные для условий хранилища JISH, приведены в табл. 1. Все вспомогательное оборудование и допуски по выбросам были подобраны для максимальной мощности 6100 кВт, чтобы оптимально использовать возможности двигателя Cat GCM34 при заданных условиях эксплуатации.

Установка компрессорного блока
Одним из самых важных вопросов конструирования любой поршневой системы «двигатель-компрессор» является анализ крутильных колебаний (TVA). Циклические крутильные нагрузки, которые передаются двигателем и компрессором, должны быть восприняты и поглощены всей системой. Предпочтительные нагрузочные режимы сначала были определены эксплуатационным персоналом хранилища JISH. Сводные данные по рабочим точкам приведены в табл. 2 [1].
Заданные нагрузочные режимы определили скорости вращения и нагрузки установки как при одноступенчатом, так и при двухступенчатом режиме работы. Затем был проведен начальный анализ крутильных колебаний, чтобы обеспечить подбор приемлемой по характеристикам соединительной муфты. По крутящему моменту и тепловым рабочим характеристикам муфта Geislinger ВС 90/120/125Н соответствовала требованиям изготовителя во всем диапазоне скоростей вращения и нагрузок.
В заключении исследования отмечено, что уровни напряжений в коленчатом валу как двигателя, так и компрессора находятся в пределах, указанных изготовителем. Также было подтверждено, что крутящий момент и тепловой режим являются приемлемыми для демпфера двигателя, соединительной муфты и вспомогательного привода компрессора [1].
Чтобы гарантировать безаварийную эксплуатацию компрессорной установки, были проведены ходовые испытания. Дополнительное измерительное оборудование временно установили на переднем конце коленчатого вала двигателя, маховике двигателя, на валу компрессора с обеих сторон. Данные были собраны во всем диапазоне скоростей и нагрузок на установившихся и переходных режимах. Сравнение результатов измерений с результатами анализа крутильных колебаний показало соответствие модели и подтвердило соответствие фактических условий эксплуатации указаниям изготовителя [1].
Итоговые уровни крутильных колебаний находились в допустимых пределах, а гармонические отклики были типичны для 16-цилиндрового двигателя, приводящего в действие компрессор с шестью кривошипами. Имела место хорошая согласованность расчетных и наблюдаемых собственных частот [1].
Соединения всех подводов и отводов расположены в передней части двигателя Cat G16CM34, что обеспечивает более простой монтаж и обслуживание. При проектировании помещения компрессорной были использованы все преимущества такой компоновки.
Рабочие жидкости подаются по трубопроводам к объединенному модулю системы смазки и охлаждения, который связан с охладителем двигателя. Воздушные фильтры системы питания установлены снаружи на уровне земли – для удобства обслуживания. Поступающий воздух для горения подается на вход турбонагнетателя компрессора, расположенного в передней части двигателя. Отработавшие газы отводятся из помещения компрессорной в вертикальный глушитель с встроенным окислительным катализатором.

Установка двигателя и компрессора
Специалисты AGL, изучив различные варианты установки, решили использовать блочную, а не рамную конструкцию. В этом случае двигатель и компрессор устанавливаются непосредственно на бетонный фундаментный блок.
Чтобы упростить монтаж и выравнивание, стальные пластины крепления двигателя были залиты в бетон. Стальные клинья установлены между поверхностью крепления двигателя и стальными пластинами.
Интеграция системы управления двигателя и компрессора важна для удобства эксплуатации и увеличения производительности компрессорной установки. Чтобы отказаться от многочисленных шкафов управления и потенциальных коммуникационных проблем, управление установкой объединено на одном пульте (UCP). Панель создана на базе программируемого логического контроллера Allen Bradley Control Logix с двумя процессорами (с разделением данных), установленными на общей плате. Один процессор управляет пуском установки и работой компрессора, второй – взаимодействует с системой ADEM А3 и управляет работой вспомогательных систем двигателя. Все данные отображаются на пульте управления установки графически и передаются в диспетчерскую через систему SCADA [1].

Рабочие характеристики установки
Поскольку цены на природный газ находятся сейчас на уровне, превышающем исторический максимум, эффективность газокомпрессорной установки стала еще более важной. Двигатель Cat G16CM34 обеспечивает более высокую эффективность по сравнению с другими конкурентоспособными системами привода компрессоров на рынке. Счетчики топливного газа были установлены для контроля расхода топлива на всех установках хранилища JISH. Таким образом, можно выбрать самую эффективную установку для удовлетворения ежедневных потребностей хранилища. Для обеспечения оптимальной эффективности работы оборудования осуществляется мониторинг и сохранение основных показателей двигателя и компрессора, включая удельный расход топлива двигателя [1]. Чтобы подтвердить, что низкий удельный расход топлива достигается и в эксплуатационных условиях, были изучены данные по расходу топлива двигателя Cat G16CM34. На рис. 2 представлены графики удельного расхода топлива, измеренного в хранилище JISH и полученного при заводских испытаниях (измерения производились каждый час в течение 5 недель при обычных скоростях и нагрузках). Измерение мощности для этого расчета заимствовано из программы оценки рабочих характеристик Ariel. Расход топлива измерялся расходомером хранилища JISH, энергосодержание газа определялось как среднее низшей теплотворной способности (LHV) по показаниям газовых хроматографов. Измеренные значения удельного расхода топлива ниже соответствующих точек, полученных при заводских испытаниях. Это свидетельствует о том, что эксплуатационные характеристики двигателя Cat G16CM34, соединенного с соответствующим компрессором Ariel JGV-6, лучше полученных при заводских испытаниях. Такие результаты могут являться следствием более высокой точности измерений, проведенных в условиях газового хранилища [1].
Эффективность компрессорной установки, измеренная в единицах удельного расхода топлива, является хорошей оценкой эффективности согласованной работы компрессора и приводного двигателя.

Нагрузочная способность компрессора
Газовые хранилища требуют относительно частых остановов и запусков компрессорных установок. Последовательность запуска и загрузки была разработана для быстрого ввода компрессорной установки в работу по решению оператора. Она программируется на панели управления установки и включает предварительную подачу смазки в двигатель и компрессор, пуск и выход на режим холостого хода на скорости, выбранной оператором. После этого оператор подает команду на закрытие байпасного клапана и выводит компрессор под нагрузку (этот процесс занимает менее 5 минут) [1].
При разработке установки учитывалось, что нагрузочная способность двигателя должна соответствовать конфигурации компрессора. На рис. 3 представлен график вывода установки под нагрузку с момента достижения желаемой скорости (в данном случае 720 об/мин) и закрытия байпаса компрессора. Двигатель легко принимает нагрузку. Скорость коленвала снижается приблизительно на 30 об/мин, а затем повышается до заданного значения менее чем за 30 секунд.
Другой мерой степени соответствия компрессора и привода нагрузочному режиму является вид нагрузочной кривой. При выводе установки под нагрузку, как показано выше, скорость двигателя снижается на очень короткое время, что является еще одним признаком правильного подбора двигателя и компрессора.

Использованная литература:
1.    Мюллер Г. и Питтс. Дж. Пример монтажа и эксплуатации газового двигателя Cat G16CM34 для привода компрессора на газовом хранилище JISH компании AGL/Доклады GMC. 2006, октябрь.
2.    Кренек Д. Высокоэффективные газовые двигатели Cat GCM34 6 000-8 000 л. с./Доклады GMC. 2005, октябрь.