С. А. Клюев – ОАО «Волжский дизель им. Маминых»

Применение оборудования отечественного двигателестроения позволяет продлить добычу газа на истощающихся газовых месторождениях ОАО «Газпром».

Любое газовое месторождение имеет срок эксплуатации, который определяется объемом находящихся в нем запасов газа. Когда давление в скважине падает до определенной величины, добыча газа становится невозможной. Это связано с недостаточным давлением газа для форсунки газотурбинного двигателя газоперекачивающей станции, у которой минимальная величина давления подводимого газа составляет 2,5 МПа. Поскольку оставшиеся запасы газа низкого давления еще огромны, закрывать месторождение нерентабельно.
В этом случае между скважиной и газоперекачивающей станцией устанавливается компримирующий комплекс, состоящий из газопоршневого двигателя и компрессорной установки, которая поднимает давление газа до величины 2,5 МПа, необходимой для нормальной работы газовой турбины ГПА.
На изготовление такого компримирующего комплекса для месторождений с падающим давлением Газпром в 2009 г. сделал заказ предприятию «Волжский дизель им. Маминых» и Сумскому НПО им. М.В. Фрунзе. В мае текущего года ОАО «ВДМ» провело приемочные испытания газопоршневого привода ГПК 10 на территории СНПО в составе компрессорной установки. В настоящее время на газовом месторождении «Медвежье» (Газпром добыча Надым) монтируются два ГПК 10, которые в июле будут запущены в эксплуатацию.
Комплекс представляет собой здание, в котором размещены два компрессора с системой сепарации и регулирования давления газа. К торцевым стенам здания через разделяющую стенку пристыкованы два газопоршневых привода. Стенка необходима для отделения моторного отсека от помещения, где расположен компрессор, так как ГПК 10 изготовлен в обычном (не взрывобезопасном) исполнении. Небольшое избыточное давление воздуха внутри моторного отсека, создаваемое вентилятором, препятствует проникновению газа из помещения, где установлен компрессор.
Привод ГПК 10 предназначен для двухпоршневой оппозитной компрессорной установки 2ГМ10А-П-18/9-26, сжимающей природный газ с давлением нагнетания 2,5 МПа и производительностью 10000 м³/ч. ГПК 10 установлен в контейнер, в котором размещены газопоршневой двигатель, системы охлаждения и подогрева двигателя, электрооборудование, автоматика.
На крыше контейнера установлен вертикальный выхлопной глушитель из нержавеющей стали. Высокая выхлопная труба уменьшает концентрацию вредных выбросов на территории комплекса. Глушитель имеет пружинные подрывные клапаны, исключающие разрушение корпуса при аварийном взрыве газовой смеси внутри глушителя.
Двигатель приводит во вращение компрессор через трансмиссию, состоящую из фрикционной гидравлической разобщающей муфты и установленной после нее эластичной резинокордной муфты для гашения пульсирующих крутильных колебаний компрессора. Фрикционная муфта, работающая без обслуживания до капитального ремонта, имеет уникальные «сухие» фрикционные диски и шлицы, которые не требуют смазки в течение всего периода эксплуатации. Таким образом, наличие разобщающей муфты позволяет запускать и прогревать двигатель автономно от компрессора. Двигатель установлен на пружинных амортизаторах, полностью гасящих вибрацию.
ГПК 10 имеет мощность 420 кВт и изготовлен на базе газопоршневого двигателя 292ГД производства ОАО «Волжский дизель им. Маминых». Двигатель – четырехтактный, внутреннего смесеобразования, с наддувом, имеет 6 цилиндров диаметром 210 мм, ход поршня 210 мм. Частота вращения коленчатого вала – 1000 об/мин (среднеоборотный двигатель).
Двигатель имеет ресурс 40000 моточасов до капремонта (общий ресурс 160000 часов). По техническому заданию ГПК 10 должен работать на природном газе, однако отличительной особенностью газопоршневых двигателей производства ВДМ является возможность их работы на «тяжелых» попутных газах без детонации.
Рабочий процесс в газовом двигателе 292ГД находится далеко от зоны детонации в связи с наличием в конструкции запатентованных форкамер, способных поджигать в цилиндре бедные смеси (λ=1,8). При их сгорании детонация в цилиндре на всех режимах отсутствует – это очень важно при работе на попутном нефтяном газе, который имеет низкое метановое число и высокую теплоту сгорания. На практике двигатель работает без детонации и снижения мощности на ПНГ с метановым числом WKI > 40.
Таким образом, сжигание бедных смесей попутного газа и воздуха позволяет достигать значений мощности, до 50 % больших в сравнении с двигателями, работающими на стехиометрических смесях (λ=1,0). Работа на бедных смесях способствует образованию на выхлопе очень низких значений NO_x, так как азот, содержащийся в большом количестве в бедной смеси, является самым сильным антидетонатором и имеет большую теплоемкость, приводит к низким температурам горения и малому образованию оксидов азота и углерода.
Для повышения ресурса выхлопных клапанов в конструкции крышки цилиндров установлен механизм поворота. Поворот клапанов необходим для равномерного их прогрева. В двигателе применяется автоматический долив малозольного масла для газовых двигателей Sentron 470 (Petro-Canana). Использование данного масла и механизма поворота клапанов исключает образование на седлах выхлопных клапанов жестких кристаллических отложений продуктов сгорания присадок масла, которые приводят к появлению микроскопических углублений на сопрягаемых поверхностях и прогару выхлопных клапанов.
В двигателе установлены втулки цилиндров с антинагарными кольцами и поршневые кольца Goetze-Werke. Антинагарное кольцо расположено в верхней части втулки цилиндра и служит для постоянного удаления нагара с верхней части поршня. Это исключает контакт нагара со стенкой втулки цилиндра и устраняет стирание нагаром масляной пленки со стенок втулки, в результате снижается расход масла и отсутствует задир поршней. Благодаря этому расход масла на угар составляет менее 0,5 г/кВт•ч (примерно 2,5 л/сут).
Процесс сгорания в двигателе осуществляется с обратной связью по пределу горения топливной смеси. В обратной связи нет сложных электронных и механических систем управления качеством смеси. Двигатель сам подбирает оптимальную смесь на любом составе топливного газа, на пределе горения, и смесь, таким образом, всегда является максимально бедной. В этом случае нет необходимости настраивать каждый раз топливную систему при изменении состава газа – двигатель сам под него подстроится.
В моторе применена разделенная система охлаждения масла, охлаждающей жидкости и наддувочного воздуха. Это позволяет регулировать температуру каждого контура охлаждения двигателя независимо друг от друга и достигать более глубокого и эффективного охлаждения. Так, применение охладителя наддувочного воздуха типа «воздух-воздух» дает возможность охлаждать его до минусовых температур, что благоприятно сказывается на охлаждении выхлопных клапанов и камеры сгорания в фазе продувки двигателя и значительно снижает возможность детонации.
Например, в зимнее время температура газов после выхлопных клапанов снижается до 380 °С, в то время как у приводов с внешним смесеобразованием она достигает уровня 680 °С. Прямое охлаждение масла в масляных секциях типа «масло-воздух» позволяет исключить из конструкции двигателя масляный охладитель и насос рабочей жидкости. Таким образом, в двигателе нет классического низкотемпературного контура. Это снижает его стоимость, а также позволяет достигать более низких температур при охлаждении масла и наддувочного воздуха.
Газотопливная система двигателя 292ГД с внутренним смесеобразованием способна работать при температуре входящего газа от –50 °С до +80 °С и воздуха в диапазоне –50…+40 °С. Более низкие температуры воздуха и газа способствуют лучшему охлаждению камеры сгорания и увеличивают ресурс выхлопных клапанов. У многих импортных двигателей с внешним смесеобразованием при температуре воздуха и газа ниже +5 °С смеситель газа замерзает, и двигатель останавливается – приходится нагревать воздух и газ.
Привод запускается от двух аккумуляторных батарей. Автоматика управления двигателем имеет все необходимые защиты и возможность дистанционного управления с ПК.
Основной причиной простоя вышедших из строя импортных двигателей является отсутствие быстрой доставки запасных частей в связи с долгими разбирательствами по определению виновника аварии. Кроме того, стоимость запчастей составляет значительную часть затрат на обслуживание. Большую долю в затратах на обслуживание составляет также стоимость нормо-часа зарубежных специалистов, доходящая до 1000 евро в сутки.
В монтаже, наладке и пуске агрегата ГПК 10 участвует бригада специалистов предприятия, при этом стоимость нормо-часа для заказчика составляет не более 20 евро в сутки. В настоящее время газопоршневые двигатели компании «ВДМ» имеют наработку в эксплуатации более 35000 моточасов без серьезных замечаний. Таким образом, привод ГПК 10 с газопоршневым двигателем 292ГД является простым и дешевым в обслуживании агрегатом, имеющим следующие преимущества:
•     простота конструкции и полная уравновешенность (6-цилиндровый двигатель считается «классикой» двигателестроения);
•    «всеядность» – двигатель может работать на всех видах горючих газов в самом широком диапазоне температур газов и окружающего воздуха;
•    практически полное отсутствие детонации и перегрева мотора благодаря особому типу внутреннего смесеобразования;
•    доступность и невысокая стоимость запасных частей распространенного тепловозного дизеля 6ЧН21/21, на базе которого создан газовый двигатель 292ГД;
•    не требуется глубоких знаний персонала при эксплуатации и техническом обслуживании двигателя.
И главное достоинство ГПК 10 в том, что он спроектирован и изготовлен в России и имеет оптимальные характеристики для эксплуатации в различных условиях.
ГПК 10 производства ОАО «ВДМ» может применяться и для привода других агрегатов вместо электродвигателя, что позволит снизить расходы на электроэнергию (цементные мельницы, водяные насосы, воздушные компрессоры и т.д.). В настоящее время ведется работа по подготовке к серийному производству газового двигателя 490ГД мощностью 850 кВт, который по конструкции и характеристикам аналогичен 292ГД.