Новые приводы и двигатели для газовой компрессии

В журнале «Главный механик» вышла статья сотрудника компании ООО «Катерпиллар Евразия» Сергея Чернышова, представителя Ассоциации инновационных технологий «ЭнергоИнновация». Материал посвящен производителю газовых двигателей, компании Caterpillar. Индустрия газовой компрессии с каждым годом ужесточает свои требования по содержанию вредных выбросов в выхлопных газах используемых двигателей. Тенденции к более широкому применению электродвигателей растут, особенно в местах, граничащих с населенными пунктами. Для того, чтобы удовлетворять этим требованиям, Caterpillar расширил ассортимент производимого для Нефтегазовой отрасли оборудования. В дополнение к поршневым двигателям для привода компрессоров в диапазоне 1500 — 5000 л.с., компанией разработаны новые электродвигатели и частотно-регулируемые приводы. Их сборка осуществляется на заводах Caterpillar, а реализацию и обслуживание обеспечивает глобальная сеть дилеров Cat, которые тесно работают как с ОЕМ производителями, так и непосредственно с заказчиками над созданием наиболее подходящих решений. Затронуты наиболее важные вопросы, с которыми приходится сталкиваться заказчикам при эксплуатации двигателей в Российских регионах. Эти и другие вопросы были подробно рассмотрены на специализированной III Международной конференции «Поршневые компрессорные установки. От современного проектирования к надежной эксплуатации».

В течение многих десятилетий, Caterpillar производит газовые двигатели, включая ставшие легендарными семейства двигателей Cat® G3500 и G3600 для применения в областях промышленности, где требуется сжатие газа. Созданные с применением проверенных конструкций дизельных двигателей, газовые двигатели Cat® работают в условиях с самыми жесткими требованиями. Предложения Caterpillar для нефтегазовой индустрии постоянно усовершенствуются в целях удовлетворения требованиям заказчиков двигателей Cat. Требования заказчиков становятся все более сложными и Caterpillar разрабатывает специальные решения для их воплощения в разведке и добыче нефти и газа, их транспортировке, хранении, переработке и реализации. Здесь и способность двигателей работать на более широком ассортименте топлив, их улучшенная эффективность и увеличенная энергоемкость.

В последние годы компания Caterpillar вкладывает значительные средства в развитие и усовершенствование двигателей, применяемых в газовой компрессии – это двигатели серий G3500B, CG137 и G3300B. Обновления этих продуктов привели к значительному росту производительности каждого двигателя в тех областях, где это имеет особое значение для заказчика. Увеличилась мощность, а электронное управление и показатели выбросов значительным образом улучшены. Кроме этого, для более эффективной эксплуатации парка оборудования Cat, флагманское «телематическое» решение Product Link ™ вошло в стандартную комплектацию.

Дальнейшее усовершенствование продукции продолжается. Компания выпустила новую версию своего двигателя G3600. Мощность новых двигателей G3600A4 увеличилась на более, чем 5% по сравнению с линейкой G3600A3, они могут работать в более широком диапазоне доступного газового топлива. Еще большее увеличение мощности двигателей G3600A4 может быть достигнуто при их использовании в регионах с более холодным климатом за счет способности системы охлаждения изменять температуру воздуха наддува в широком диапазоне и в автоматическом режиме. Этот двигатель  осуществляет контроль выбросов и обеспечивает содержание NOx на уровне на 0.67 г/кВт-ч. Опционально доступна функция ограничения содержания NOx в пределах 0.4 г/кВт-ч. Возможность сокращения содержания NOx на 40% будет осуществляться при помощи обновления программного обеспечения двигателя, что может быть сделано как на заводе во время изготовления двигателя, так и на уже работающем двигателе.

Основные изменения в представленном двигателе рассмотрим подробнее.

Изменения в двигателе: установка однофланцевого выхлопного коллектора (снижает стоимость); применение двухэтапного вторичного охладителя и использование технологии Цикла Миллера (увеличивает мощность, улучшает восприимчивость к плохому газу и атм. давлению (высоте над уровнем моря)); установка фланцев для присоединения вспомогательного охладителя масла (упрощает сборку с газовым компрессором); установка турбин ABB A140 (увеличивает мощность и расширяет диапазон атм. давления); размещение термостатов на двигателе (упрощает комплектацию).

Преимущества управления: усовершенствованный модуль управления двигателем; электронное зажигание, контроль качества газовоздушной смеси с датчиком содержания NOx в выхлопных газах; контроль частоты вращения, старт/стоп; отсечной газовый клапан высокого давления; датчики детонации и воспламенения, мониторинг температуры выхлопных газов; измерение потока топлива высокого давления (температура, давление); улучшенная точность измерений (скорости, угла зажигания); усовершенствованная панель управления OCP 4.3 с возможностью интеграции вспомогательных устройств (Modbus, Ethernet).

Обновленный двигатель G3516 TA имеет такую же мощность, как и его предшественник G3516B – 1380 л.с.. При этом содержание NOx в выхлопных газах за счет применения каталитического нейтрализатора снижается до 0,2 г/кВт-ч.

Компрессорные установки (КУ ) на базе газовых двигателей находят применение в различных отраслях — это газлифт, закачка газа в устье скважины для повышения ее производительности, сбор газа, газопереработка, транспортировка и хранение газа.

Для работы в этих областях Caterpillar производит приводы для всех требуемых диапазонов мощностей (рис. 1).

Газлифт характерен наличием топливного газа с низким метановым числом и относительно небольшой его себестоимостью, а также высокими давлениями (800-1200 psi или 56-85 кг/см²) и небольшими объемами перекачиваемого газа. В основном, двигатели серий G3300 и G3400 и компрессоры Ariel серий малой и средней мощности- JGM/JGP, JGJ, и JGK/JGT находят широкое применение в операциях газлифта.

Для закачки газа в устье скважины для повышения ее производительности характерно наличие топливного газа с низким метановым числом и непостоянным давлением. Газовые двигатели всех серий (G3300, G3400, G3500 и G3600) находят свое применение в качестве приводов как поршневых, так и винтовых компрессоров. В рамках реализации программы по утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ), а также модернизации газоперерабатывающих предприятий, широкое применение получили КУ на базе компрессоров Ariel с двигателями G3500 серии, как правило, G3516 и G3520, которые позволяют применить схему работы КУ «1+1» или «2+1» в пределах единичной станции. Основным преимуществом данных компоновок является возможность поставки КУ в максимальной заводской готовности без превышения ограничений по массе и габаритов при доставке. Относительно невысокая стоимость двигателя и его обслуживания позволяет конкурировать с электроприводными агрегатами аналогичной мощности, а на удаленных площадках данные КУ с ГПД имеют неоспоримое преимущество – энергонезависимость.

Также для небольших удаленных кустовых площадок, требующих сбора ПНГ и направления в газотранспортную систему, применяются блочные компрессорных установки на базе двигателей G3400 серии. Небольшие габариты позволяют разместить всё технологическое оборудование и САУ в едином блоке габаритом не более 12,0 х 3,25 м., тем самым обеспечить 100% заводскую готовность, возможность перемещения между несколькими площадками, а также минимизацию монтажных работ на месте установки. Простота конструкции и неприхотливость двигателей данной серии к качеству топлива и условиям эксплуатации позволяет минимизировать затраты на подготовку топливного газа, а также стоимость и сроки обслуживания.

Объекты первичного сбора газа зачастую характерны наличием неочищенного газа под различным давлением и с непостоянными объемами. Как правило, применяются несколько КУ, часть из которых используется в качестве резервных. Двигатели семейств G3400 и G3500 получили наибольшее распространение в качестве приводов как винтовых компрессоров (для давлений ниж24 кг/см²), так и поршневых (для более высоких давлений)

КУ на базе двигателей большой мощности (как правило, G3600), применяемые в газопереработке или очистке газа создают и поддерживают высокое давление газа как перед его очисткой (на входе), так и после очистки (на выходе), а также для охлаждения и циркуляции пропана, используемого в качестве хладагента в различных процессах. Ввиду необходимости поддержания давлений большой величины, в технологии применяются, как правило, поршневые компрессоры Ariel серий JGC/JGD и KBU/KBZ.

В транспортировке газа для поддержания давления в газовых магистралях находят свое применение двигатели семейств G3600 и GCM34 в качестве приводов поршневых компрессоров Ariel большой мощности KBU/KBZ и KBB/KBV.

Для создания давления при закачке газа в хранилище и его извлечении, а также в составе компрессорных станций по обратной закачке газа в пласт для поддержания пластового давления, требуется сочетание высокой производительности и высокой степени сжатия, поэтому используют, как правило, КУ большой мощности на базе двигателей G3600 и компрессоров Ariel серии KBU и KBZ. Особенностью данного типа установок является повышенная заводская готовность – компрессор и вспомогательные системы монтируются на единой раме КУ. Также в заводских условиях производится установка двигателя и его обвязка, а также испытания комплектной установки. Однако, вес такой комплектной установки превышает 60 т. (требование заказчиков по ограничению массы), поэтому на время транспортировки двигатель демонтируется и транспортируется отдельно. Тем не менее, такое макетирование позволяет максимально снизить сроки повторной сборки КУ на площадке монтажа.

Важный вопрос — сервисные интервалы компрессор \ двигатель. Регламентируемая очередность проведения технического осмотра (ТО) двигателей Caterpillar серии G3600: 5000, 10000, 25000-30000, 50000-60000, 100000-120000 час., в то время, как рекомендуемые интервалы обслуживания компрессоров Ariel: 4000, 8000, 16000, 24000, 32000, 48000 час.

Как видно имеется небольшое расхождение в интервалах сервисного обслуживания привода и компрессора, что в случае жесткого соблюдения вышеприведенных рекомендаций может приводить к увеличению ремонтных простоев оборудования. Более целесообразно проводить обслуживание привода и компрессора в одно и то же время. Следует отметить, что рекомендации компании Ariel по очередности проведения ТО являются только ориентировочными и помогают определить требуемую периодичность. Частота и объем проводимых при техническом обслуживании работ для компрессоров Ariel напрямую зависят от условий эксплуатации, таких как фактический состав газа, рабочие параметры, свойства применяемых смазочных материалов и др. Частота и объем выполняемых работ по компрессору Ariel могут быть изменены пользователем, как в сторону увеличения, так и уменьшения по мере сбора статистики по фактическому состоянию узлов и деталей. В этой связи полное документирование результатов проверок очень важно для определения достаточности проведенных работ, а также для принятия решения о сокращении или увеличении межремонтного интервала. В дополнение к этому, использование специальных программ — таких, как анализ проб масла «S.O.S.» и удаленный мониторинг состояния двигателя «Advanced Condition Monitoring», поможет варьировать интервалы обслуживания двигателей Caterpillar.

Изменение состава топливного газа и его давления – довольно частое явление при газлифте, закачке газа в пласт и на объектах по первичному сбору газа. Такое явление может оказать существенное воздействие на работу двигателей с высокой степенью сжатия (выше 9:1), что может привести к их непредвиденному останову. Двигатели G3600A4 способны развивать полную мощность, работая на газе с метановым числом MN45. А всего лишь 15% снижение мощности будет наблюдаться при работе на газе с метановым числом MN30.

Примеры работы двигателей G3616A4 и G3606A4 на пяти различных образцах газа показаны на рис. 2.

Рис. 2. Примеры работы двигателей G3616A4 и G3606A4 на пяти различных образцах газа

Состав газа влияет на работу компрессора, но как правило не значительно. Изменение газа может потребовать использования более вязкого масла. Как правило, привод подбирается с 10% запасом. Это позволяет избежать всех неприятностей с непроектными режимами работы, т.е. когда давления всасывания/нагнетания и состав газа отличаются от проектных или в результате аномально высокой температуры окружающего воздуха двигатель работает с понижением мощности.

Теперь рассмотрим возможность доступа к параметрам двигателя.  Двигатели G3600A4 оснащены системой управления OCP4.3, подключение к которой может быть осуществлено как локально, так и удаленно.

Локальное подключение к OCP:  доступ к системе управления OCP4.3 и блоку управления ADEM двигателя для их настройки и регулировки осуществляется с помощью сервисного ноутбука через адаптер (рис. 3).

Рис. 3. Пример локального подключения к OCP

В целях оптимизации размещения оборудования на базе КУ и снижения затрат на производство, изготовители КУ довольно часто прибегают к совмещению систем охлаждения масла компрессора с системой охлаждения двигателя. АВО холодного контура двигателя в таких случаях изначально берется с запасом на охлаждение масла компрессора и теплообменник компрессора включается в систему холодного контура двигателя. Это позволяет избавиться от отдельного АВО (а иногда и насоса) для компрессора. Комплектация двигателей G3600A4 содержит заводские фланцы для подключения системы охлаждения компрессорного масла.

За более чем 20 летнюю историю производства газовых двигателей серии G3600, заводом было произведено и отгружено более 4700 единиц этих двигателей. На сегодняшний день 125 двигателей из них имеют наработку более 100000 моточасов. Общая наработка парка двигателей серии G3600 по всему миру составляет более 140 млн час.

В целом по России в качестве привода КУ работает более 60 двигателей серии G3600 и более 25 двигателей серии G3500. Компрессорные установки с приводом от газовых двигателей Caterpillar встречаются на объектах таких компаний, как Роснефть, Газпром, Новатек, ИНК и других. Кроме этого, на Ванкорском месторождении работает 12 двигателей G16CM34.

Если предполагается длительное хранение двигателя, то необходимо предпринять специальные меры для защиты двигателя от повреждений, обеспечения его гарантированного запуска и полной работоспособности тогда, когда это потребуется. Если двигатель не пускался в течение нескольких недель, смазка стекает со стенок цилиндров и поршневых колец, коренных и шатунных вкладышей, с коленчатого вала и остальных частей двигателя, которые при нормальной эксплуатации двигателя должны смазываться. Отсутствие смазки провоцирует возникновение ржавчины, особенно если двигатель находится в месте с повышенной влажностью.

Для подготовки двигателя к длительному хранению могут потребоваться ингибиторы коррозии, антифриз с увеличенным сроком службы, кондиционер для системы охлаждения, многофункциональная смазка, специальные фильтрующие элементы, тестирующее оборудование и тд. К основным процедурам при подготовке двигателя к хранению можно отнести следующие действия:

• — поверхностная очистка двигателя от грязи, его осмотр,
• — качественная закраска мест повреждения заводской окраски,
• — смазка всех узлов и механизмов в соответствии с процедурой смазки, описанной в руководстве по эксплуатации,
• — добавление в нужной пропорции ингибитора коррозии к смазочному маслу и проворот коленчатого вала для обеспечения смазки узлов двигателя,
• — опрыскивание узлов выхлопной системы, ёмкостей, цилиндров изнутри (через свечные отверстия), маховика, венцовой шестерни и бендикса стартера антикоррозийным составом,
• — удаление воды и грязи из элементов топливной системы (фильтры, насосы, емкости и тп),
• — обильная смазка движущихся частей, находящихся снаружи двигателя (рычаги, стержни, шарнииры и тп),
• — в большинстве случаев аккумуляторные батареи на период хранения двигателя могут быть использованы где-то еще. При длительном хранении аккумуляторных батарей их следует полностью отключить от нагрузки и очистить от загрязнений. Во время хранения аккумуляторных батарей потребуется их периодическое обслуживание – проверка заряда и подзарядка,
• — натяжение всех ремней двигателя должно быть ослаблено,
• — двигатель следует укрыть водонепроницаемым чехлом и обеспечить циркуляцию воздуха в целях предотвращения образования конденсата,
• — прикрепить к двигателю табличку с указанием даты последней консервации двигателя,
• — каждые 2-3 месяца рекомендуется снимать водонепроницаемый чехол и проводить инспекцию двигателя в целях обнаружения ржавчины. При ее обнаружении необходимо повторить процедуру консервации.

Особенностью применения двигателей серии GСМ (G12CM34, 4575 КВт и G16CM34, 6100КВт) с компрессорами Ariel серий KBB/KBV и KBZ/KBU в КУ является отсутствие «пекиджа» как такового. В связи со значительными габаритами и массами компрессора и двигателя обустройство единой рамы КУ не всегда представляется целесообразным. В большинстве случаев, компрессор и двигатель монтируются непосредственно на фундамент, а вспомогательные системы поставляются в виде готовых блоков, обвязка которых осуществляется на месте монтажа. Несмотря на это, КУ данного типоразмера являются альтернативой применения газоперекачивающих агрегатов типа ГПА-6, а в условиях падающих давлений и изменения расходов газа на месторождениях имеют неоспоримые преимущества – способность подстраиваться под значительно изменившиеся условия эксплуатации без значительных модернизаций.

У заказчиков и потребителей представленной продукции всегда много вопросов. Решить их в рабочем порядке не всегда возможно Поэтому  состоялась специализированная III Международная конференция «Поршневые компрессорные установки. От современного проектирования к надежной эксплуатации». Она  была посвящена вопросам эксплуатации оборудования, применяемого в сегменте газовой компрессии и состояла из двух частей — сессия Caterpillar и сессия Ariel (рис. 4). Сессия Caterpillar была посвящена вопросам современным газопоршневым двигателям серии G3600A4 и их преимуществам. В рамках нескольких докладов по этой теме были подробно рассмотрены основы газового топлива и причины возникновения детонации; влияние серы, содержащейся в газовом топливе на работу газопоршневых двигателей и технологии, позволяющие оптимизировать мощность новых двигателей в зависимости от условий окружающей среды, в которой они эксплуатируются.

Перечисленные темы затронули наиболее важные вопросы, с которыми приходится сталкиваться заказчикам при эксплуатации двигателей в Российских регионах. Стоит отметить повышенный интерес аудитории к особенностям и преимуществам новых двигателей G3600A4. Не секрет, что многие из заданных вопросов касались возможности переделки работающих у заказчиков двигателей предыдущей серии G3600A3 в новые G3600A4 или адаптирования ряда их функций и опций. Инженер — разработчик от компании Caterpillar Inc. Холл К., отвечая на вопрос, подробно разъяснил отличия двигателей предыдущего и нового поколений. Основным посылом стал призыв очень внимательно подходить к вопросам подбора привода для газокомпрессорных агрегатов.

Рис. 4. Представители компаний Caterpillar и  Ariel на III Международной конференции «Поршневые компрессорные установки. От современного проектирования к надежной эксплуатации»

Уникальность доклада заместителя главного инженера компании ИНГК про особенности конструирования газокопрессорных агрегатов в РФ заключалась в том, что он стал первым докладом Российской компании-пекиджера, решившейся рассказать о своих возможностях и решениях. Доклад содержал в себе информацию по таким вопросам, как “Влияние стандартов, норм и правил” и “Традиции и подход к выбору оборудования”. Кроме этого, было подробно рассказано про особенности крепления и установки двигателя на раме, устройство фундаментов, особенности монтажных работ, системы забора наружнего воздуха и вспомогательные системы предпускового подогрева двигателя. Пэкиджирование поршневых компрессорных установок не является новым направлением в мире. Существуют установленные производителями стандарты пэкиджеров, требования которых обязательны к исполнению, а также принятые в отрасли методы и приемы, отработанные на тысячах работающих агрегатов. Однако, конструирование и производство компрессорных установок в каждом регионе мира накладывает определенную специфику и заставляет искать пути реализации технических решений, отличных от общепринятых. Презентация посвящена некоторым таким примерам, которые были проработаны и применены в изготовленных компанией ИНГК установках.

Менеджер по развитию решений CAT CONNECT компании Caterpillar, Дэй Д. рассказал о возможностях CAT CONNECT — сервису, предоставляющему уникальные возможности для управления не только двигателем, но и газокомпрессорным агрегатом в целом. Cat Connect – самый полный комплект интегрированного оборудования, решений и услуг по управлению активами. Он, как никогда, объединяет оборудование, процессы и людей, удовлетворяя эксплуатационным требованиям любого масштаба, типа и любой сложности. Cat Connect трансформирует данные в информацию для заказчика, чтобы он мог работать более эффективно, в конечном итоге снижая затраты на владение и эксплуатацию. Отвечая на вопросы аудитории, Дэй Д. подчеркнул, что применение сервиса CAT CONNECT помогает увеличить производительность газокомпрессорного агрегата и в конечном итоге прибыль компании.

Рис. 5 Выступление докладчиков и ответы на вопросы

Особое внимание заслужил доклад представителя компании Exxon Mobil — производителя смазочных масел Cat Oil. В докладе содержалась информация о различиях между маслами различных производителей. Особенностью масел Cat Oil является; то, что они разрабатываются совместно компаниями Caterpillar и Exxon Mobil, чем обеспечивается максимальный срок службы и производительности оборудования. Масла Cat Oil являются лучшей рекомендацией завода и находятся под гарантией Cat.

Среди вопросов прозвучали следующие: Можно ли использовать масла других производителей в газовых двигателях Cat и есть ли примеры успешного увеличения интервала замены масел на двигателях Cat. Были приведены успешные примеры увеличения интервалов замены масла в двигателях Cat с применением технологии S.O.S. Analysis, позволяющей контролировать и оценивать текущее состояние масла в двигателе. В качестве ответа на вопрос о применении других масел было разъяснено, что Caterpillar не может ограничивать выбор заказчика и предоставляет требуемые параметры по составу, которым должно отвечать масло других производителей, чтобы его можно было использовать в технике Cat ( рис. 5). 

автор: Сергей Чернышов, руководитель направления по работе с ключевыми заказчиками ООО «Катерпиллар Евразия»

источник: журнал «Главный механик»