Нагнетателями природных газов принято называть лопаточные компрессорные машины с соотношением давления сжатия свыше 1,1 и не имеющих специальных устройств для охлаждения газа в процессе его сжатия.
Все нагнетатели природного газа условно делятся на два класса: неполнонапорные (одноступенчатые) и полнонапорные [8].
Первые, имеющие степень сжатия в одном нагнетателе 1,25-1,27 используются, как отмечалось выше, при последовательной схеме компремирования газа на КС (Рис. 5. 3), вторые – полнонапорные, имеющие степень сжатия 1,45-1,51, используются при коллекторной схеме обвязки компрессорной станции (Рис. 5.2).
Важной характеристикой нагнетателя является его производительность. Применительно к газопроводу различают объемную Q, м3/мин., массовую G, кг/ч. и коммерческую подачу газа Qк , млн. нм3/сут. Перевод одних величин в другие осуществляется с использованием уравнения Клапейрона с поправкой на сжимаемость газа z, pv = zRT. При использовании G кг газа применяется уравнение Клапейрона-Менделеева также с использованием поправки на сжимаемость газа z, pQ = GzRT, где Q – объемная подача газа, G – массовая подача, характеризующая количество газа, протекающее в единицу времени через сечение всасывающего патрубка. Коммерческая подача Qк определяется по параметрам состояния во всасывающем патрубке, приведенным к нормальным физическим условиям (t = 20 0C; p = 0,101 МПа). Для определения коммерческой подачи используется уравнение Клапейрона для «стандартных» условий: р0v0 = RT0 ; Qk = G/r0; r0 = p0 /RT0.
Каждый тип нагнетателя определяется своей характеристикой, которая строится при его натурных испытаниях. Под характеристикой нагнетателя принято понимать зависимость степени сжатия e, политропического КПД (hпол.) и удельной приведенной мощности (Ni / rн)пр. от приведенного объемного расхода газа Qпр. Строятся такие характеристики для заданного значения газовой постоянной Rпр., коэффициента сжимаемости zпр., показателя политропы, принятой расчетной температуры газа на входе в нагнетатель Тв в заданном диапазоне изменения приведенной относительной частоты вращения вала нагнетателя (n/n0)пр.
Характеристики некоторых типов центробежных нагнетателей, используемых на газопроводах, приведены в табл. 5.3 [12].
Таблица 5.3
Характеристики центробежных нагнетателей для
транспорта природных газов
| Тип нагнетателя | Номинал. производ. при t=200C и р=1 МПа | Номинал. частота вращения об/мин | Объемн. производ. м3/мин. | Степень сжатия, e | Конечное давление на выходе, Мпа |
| 370-14-1 Н-300-1,23 Н-196-1,45 520-12-1 370-18-1 Н-16-56 Н-16-75 Н-16-76 650-21-1 820-21-1 Купер-Бессемер: 280-30 CДР-224 2ВВ-30 Нуово-Пиньони: PCL-802/24 PCL-1001-40 | 19,1 20,0 10,7 29,3 36,0 51,0 51,0 31,0 53,0 53,0 16,5 17,2 21,8 17,2 45,0 | 1,25 1,24 1,45 1,27 1,23 1,24 1,24 1,44 1,45 1,45 1,51 1,51 1,51 1,49 1,51 | 5,66 5,50 5,60 5,60 7,60 5,60 7,50 7,50 7,60 5,60 5,60 7,50 7,50 7,52 7,52 |
Типовая характеристика нагнетателя типа 370-18-1 приведена на Рис. 5.4. Характеристики других типов нагнетателей имеют такой же вид, как для неполнонапорных, так и для полнонапорных нагнетателей.
Пользуются характеристиками нагнетателей следующим образом. Зная фактические значения величин R, z, TB, n для данных условий, по соотношению 5.1 определяют приведенную относительную частоту вращения нагнетателя (n/n0)пр. По известной степени сжатия с использованием характеристики нагнетателя (Рис. 5,4) находят объемный расход газа Q0, а по соотношению 5,2 определяется приведенный объемный расход газа Qпр.. По соответствующим кривым характеристики нагнетателя (Рис. 5.4) определяется политропический КПД hпол. и приведенная внутренняя мощность нагнетателя (Ni /rB)пр.:
(5.1)
Qпр. = Q0 
(5.2)
Внутренняя мощность, потребляемая нагнетателем, определяется соотношением:
Ni = 
(5.3)
В соотношениях 5.1-5.3 индексом «0» отмечен номинальный режим работы нагнетателя; индексом «в» – отмечены параметры газа на входе в нагнетатель. Плотность газа на входе в нагнетатель rв , кг/м3 определяется по соотношению:
(5.4)
где рв , Т – соответственно абсолютное давление газа на входе в нагнетатель (рв , МПа ) и абсолютная температура газа на линии всасывания, К.
Эффективная (фактическая) мощность на муфте энергопривода, кВт; Ne= Ni + Nмех. , где Nмех. – механические потери; для газотурбинного привода Nмех. = 100 кВт.
Расчетный рабочий расход газа Qпр. для нагнетателей должен быть примерно на 10-12% больше крайних левых значений расхода на его характеристике, соответствующего условиям начала срыва потока газа по нагнетателю (зоне помпажа). На Рис. 5. 4 этому режиму соответствует подача газа на уровне примерно 360 м3/мин.
Наличие надежных приведенных характеристик при эксплуатации газотурбинного привода позволяет обслуживающему персоналу определять характеристики работающих агрегатов и выбирать наилучший режим их работы в зависимости от конкретных условий.
При проведении инженерных расчетов, в целом ряде случаев удобно применение и ряда других характеристик нагнетателей, производных от паспортных, например:
Приведенная разность энтальпии газа:
(5.5)
Приведенная удельная потенциальная работа:
(5.6)
Показатель политропного процесса сжатия газа:
m = 
(5.7)
Политропный (фактический) КПД нагнетателя определяется из сопоставлений соотношений (5.5 и 5.6):
(5.8)
Следует отметить, что в эксплуатационных условиях (из-за значительного износа проточной части нагнетателя) практически всегда имеется весьма заметный сдвиг этой характеристики по сравнению с ее паспортным значением.
Задача 5. 1. Определить по эксплуатационным данным техническое состояние центробежного нагнетателя агрегата типа ГПА-Ц-16: давление газа на входе нагнетателя Р1 = 4,8 МПа, давление газа на выходе, давление газа на выходе Р = 7,2 МПа, температура газа на входе t1 = 8 0C, температура газа на выходе t2 = 58 0C, частота вращения вала n = 4700 об/мин. Газовая постоянная R= 497 Дж/кгК. Номинальные параметры, при которых построена характеристика нагнетателя, равны: z =0,89; Т пр.= 288 К, R пр. = 490 Дж/кгК, n = 4900 об/мин. В качестве рабочего тела используется метан – как один из основных составляющих природного газа.
Решение. Одним из показателей технического состояния центробежного нагнетателя считается его относительный КПД, определяемый как отношение обратимой работы сжатия в данных пределах соотношения давления сжатия к реальной работе сжатия в тех же пределах соотношения давлений сжатия. Характерной особенностью решения данной задачи является то, что все ее характеристики должны определяться как функции двух переменных, например Р и Т. То есть в данном случае имеем дело с реальным газом, в отличие от идеального газа состояние которого определяется только в зависимости от температуры Т.
Удельная 
обратимая потенциальная (техническая) работа определяется следующим известным соотношением:
При принятых исходных данных: z = 0,89; R =497 Дж/кгК; Р1/Р2 =1,5; конечная температура адиабатического (обратимого) процесса сжатия определяется из уравнения адиабаты:
К; t2 =41,5 0C
Подставляя полученные численные значения в исходное соотношение, находим численную величину удельной приведенной потенциальной работы сжатия:
КДж/кг
Приведенная разность энтальпии природного газа, определятся как функция двух переменных – давления и температуры. Расчетный вид этой формулы может быть представлен следующим соотношением:
,
Где величина разности энтальпии – аналог удельной реальной работы сжатия газа в компрессоре; Cpm – средняя температура газа в процессе сжатия; t1 и t2 – соответственно начальная и конечная температура сжатия газа в нагнетателе; (CpDh)m – расчетный комплекс, характеризующий отличие реального газа от идеального; Р1 и Р2 – соответственно начальное и конечное абсолютное давление на входе и выходе нагнетателя.
Среднее значение теплоемкости метана можно определить по следующему эмпирическому соотношению [ 12 ]:
Cpm = 2,08 + 0,11P1+(0,003 – 0,0009P1)tm=2,564 кДж/кгК;
Соответственно, значение комплексной величины (CpDh)m определяется следующим соотношением [ 12 ]:
