Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Краткий обзор основных направлений улучшения эксплуатационных характеристик АВО на КС МГ 20
1.1 Учет территориального расположения и влияния климатических факторов на эффективность работы АВО 23
1.2 Регулирование температурного режима работы АВО и проблемы оперативного регулирования 26
1.3 Повышение интенсивности теплоотдачи путем совершенствования поверхности теплообмена и компоновки теплообменных труб 31
1.4 Повышение эффективности теплообмена АВО отмывкой внутренних поверхностей теплообменных труб 37
1.5 Очистка наружных оребренных поверхностей теплообменных труб 39
1.6 Выбор способов совершенствования эксплуатационных качеств АВО КС МГ с учетом промышленных условий
эксплуатации 40
Выводы по главе 42
ГЛАВА 2 Применение метода параметрического анализа для качественной оценки тепловых характеристик АВО ГАЗА 43
2.1 Особенности теплогидравлического режима МГ большого диаметра 43
2.2 Практический способ регулирования режимов работы АВО и его недостатки 46
2.3 Оценка фактического технического состояния АВО, эксплуатируемых на КС МГ и влияние эксплуатационных загрязнений на их характеристики 51
2.4 Лучевые характеристики АВО после многолетней
эксплуатации и их отличие от паспортных 55
Выводы по главе 63
ГЛАВА 3 Регулирование режимов работы АВО на КСМГ 65
3.1 Особенности режимов работы АВО на КС в условиях континентального климата 67
3.2 Корреляционный анализ и отбор факторных признаков 69
3.3 Регрессионная модель и результаты регрессионного анализа режимов АВО 73
3.4 Оперативный способ определения необходимого числа включения вентиляторов 78
Выводы по главе 80
ГЛАВА 4 Использование дополнительных устройств, улучшающих теплообмен и аэродинамику АВО 81
4.1 Особенности аэродинамики воздушных потоков, формируемых вентиляторами АВО 81
4.2 Взаимодействие воздушных потоков, формируемых вентиляторами АВО 86
4.3 Особенности работы вентиляторов АВО в условиях перекрестных воздушных потоков 96
4.3.1 Неравномерность обтекания лопастей рабочего колеса и возникновение срывных течений 97
4.3.2 Стабилизация режимов работы вентиляторов АВО с помощью направляющих устройств 103
4.3.3 Влияние самотягл на работу установки воздушного охлаждения природного газа 108
4.4 Применение направляющих и вытяжных устройств в воздушном тракте АВО и результаты промышленного
эксперимента 111
Выводы по главе 115
ГЛАВА 5 Снижение трудоемкости и повышение эффективности очистки тешюобменных поверхностей труб АВО 117
5.1 Эффективность отмывки внутренних поверхностей теплообменных труб АВО газа моющими средствами 118
5.1.1 Результаты промышленного эксперимента по отмывке внутренней поверхности теплообменных труб АВО 120
5Л.2 Выбор моющего средства для внутренней отмывки теплообменных поверхностей труб АВО 123
5.1.3 Результаты лабораторных опытов по отмывке внутренней поверхности оребренных теплообменных труб АВО 128
5.1.4 Результаты опыта по отмачиванию отрезка трубы газовой обвязки кранов 132
5.1.5 Рекомендации по упрощению технологии внутренней отмывки поверхностей теплообменных труб АВО 132
5.2 Особенности очистки наружных поверхностей теплообменных труб АВО газа на КС МГ 134
5.2.1 Эффективность применяемых методов очистки наружных поверхностей теплообменных оребренных труб АВО газа на КС МГ , 134
5.2.2 Результаты промышленного эксперимента по отмывке наружной поверхности оребренных теплообменных труб пароводоструйным методом 139
5.2.3 Рекомендации по наружной отмывке поверхностей оребренных теплообменных труб АВО 142
Выводы по главе 143
Основные выводы и рекомендации 144
Библиографический список использованной литературы
- Регулирование температурного режима работы АВО и проблемы оперативного регулирования
- Практический способ регулирования режимов работы АВО и его недостатки
- Корреляционный анализ и отбор факторных признаков
- Особенности работы вентиляторов АВО в условиях перекрестных воздушных потоков
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время в условиях роста потребления энергоресурсов во всем мире, а также в связи с постепенным истощением мировых запасов энергоносителей на первое место вышла проблема сбережения природных энергоресурсов.
Эта глобальная задача уже давно была принята к разрешению промышленно развитыми странами, и они добились в этом определенных положительных результатов.
В России, с ее огромными энергоресурсами, эта задача долгое время не получала достойного внимания и решения.
Мы пришли к тому, что привычная стратегия России по наращиванию добычи углеводородов полностью исчерпала себя. В результате, на первое место вышла проблема сбережения природных энергоресурсов. Стало очевидным, что выход из создавшегося кризисного положения практически один - это путь разработки и внедрения современных энергосберегающих технологий и высокотехнологгчного оборудования. Первые основные направления энергетической политики России отражены в [126, 127].
Целенаправленная политика в сфере энергосбережения газовой отрасли ведется ОАО «Газпром» с 1996 - 1998 гг., основные принципы которой изложены в «Концепции энергосбережения в ОАО «Газпром» в 2001 - 2010 гг.» и отражены в других отраслевых документах [69, 82, 89, 109, 111], которые соответствует «Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2020 года».
Важнейшим шагом в этом направлении можно считать принятие в августе 2003 г. правительством России «Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2020 года» [134, 136], которая заключается не только в наращивании добычи топлива, производства электроэнергии и тепла, но и в повышении эффективности их использования.
В настоящее время по энергоемкости внутреннего валового продукта Россия находится в последней десятке стран мира: его величина в 2,3 раза больше среднемирового и в 3,5 раза выше, чем в Европейском Союзе (в частности, в 7 раз выше, чем в Японии и в 4,5 раза выше, чем в США).
И тем не менее, в соответствии с Энергетической стратегией, жесткое ресурсоэнергосбережение позволит обеспечить к 2020 г. увеличение валового внутреннего продукта РФ в 2,31 - 3,32 раза при росте потребления топливно -энергетических ресурсов всего лишь в 1,267 - 1,405 раза (по отношению к уровню 2000 г.) [89, 126].
Доля природного газа в потребляемых первичных топливно -энергетических ресурсах России хотя и снизится с 50 % в 2000 г. до 46 % в 2020 г., но все же останется высокой, т.к. природный газ в 3 раза дешевле топочного мазута и в 1,6 раза дешевле угля.
Природный газ в перспективе до 2020 г. сохранит роль основного первичного топливно - энергетического ресурса несмотря на то, что запасы его ограничены и находятся, в основном, в труднодоступных отдаленных районах.
Прогнозные расчеты показали, что только за счет экономии природного газа можно снизить его потребление более чем в два раза.
Объем газа, идущего на собственные технологические нужды магистральных газопроводов ОАО «Газпром», по данным за период с 1999 по 2003 гг. составлял примерно 9 %, с тенденцией на увеличение, а в последние годы - до 10 %, от соответствующей годовой добычи.
Снижение энергоемкости транспорта природного газа обеспечивается в настоящее время системами охлаждения газа после его компримирования на компрессорной станции (КС). Широкое распространение в газовой промышленности получили аппараты воздушного охлаждения (АВО), которые просты в обслуживании и не требуют промежуточного теплоносителя. Однако в таких газопроводах происходит повышение температуры транспортируемого газа в результате существенного ухудшения теплообмена с окружающей средой, вызванной загрязнением аппаратов в процессе их эксплуатации.
Повышение температуры в газопроводе требует увеличения мощности газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на компримирование газа на последующих КС, что ведет к перерасходу топливного газа и форсированию режимов газотурбинных двигателей.
Поэтому для снижения температуры газа до регламентированного значения вводят в действие большее число вентиляторов АВО, что приводит к росту расхода электроэнергии, используемой на привод вентиляторов.
Из этого следует, что экономии энергозатрат можно добиться улучшением условий работы вентиляторов. При этом желаемый эффект можно получить уменьшением гидравлического сопротивления проточной части АВО и совершенствованием аэродинамики конструкции в целом, заключающимся:
• в улучшении условий обтекания теплообменных труб АВО;
• уменьшении гидравлического сопротивления воздушного тракта;
• использовании эффекта самотяги и дефлекторного эффекта;
• применении простейших конструкций, стабилизирующих работу вентилятора в условиях перекрестных потоков.
АВО, применяемые на КС магистральных газопроводов (МГ), имеют конструктивные особенности (приложение 1): отличаются числом трубных секций, длиной, оребрением и расположением труб в секциях, числом и расположением вентиляторов (верхнее - над трубными секциями, нижнее - под трубными секциями), мощностью электродвигателей. Но, несмотря на это различие, для них справедливо одно общее положение. Практика эксплуатации АВО на КС показывает весьма существенное отличие их реальных тепловых характеристик от паспортных.
При этом возникают, по меньшей мере, две проблемы:
• очистки теплообменных труб, необходимой для полного или частичного восстановления паспортных характеристик;
• регулирования режимами работы АВО в переменных климатических условиях при отсутствии реальных тепловых характеристик.
Решение обозначенных задач позволит модернизировать существующую технологию охлаждения газа на КС МГ и повысить ее эффективность.
Цель работы - разработка методов, рекомендаций и конструкций, направленных на повышение эффективности работы АВО типа «Хадсон» и «Крезо - Луар» в процессах охлаждения газа на КС МГ.
Основные задачи исследований
1 Определение значений фактических коэффициентов теплопередачи в АВО и построение действительных лучевых характеристик АВО на основе промышленных экспериментальных данных.
2 Разработка способов оперативного регулирования режимами работы парка АВО на основе регрессионной модели.
3 Исследование аэродинамических характеристик вентиляторов АВО «Хадсон», «Крезо-Луар» и разработка конструкций для улучшения условий их работы и повышения теплообмена.
4 Проведение промышленных и лабораторных экспериментов по отмывке внутренних поверхностей теплообменных труб и наружных поверхностей оребренных труб АВО с разработкой рекомендаций, направленных на упрощение и улучшение существующих технологий.
Научная новизна
В диссертации впервые получены следующие результаты:
Исследованием кинематики воздушных потоков и построением планов скоростей доказано наличие срывных течений воздуха на выходе вентиляторного колеса АВО «Хадсон», работающего в перекрестных потоках при средних ветровых нагрузках, которое приводит к биению лопастей вентиляторов и, как следствие, снижению срока службы опорных подшипников, особенно в АВО «Крезо - Луар» с пружинящими лопастями.
2 Получены реальные значения коэффициента теплопередачи АВО «Хадсон» за длительный период эксплуатации.
3 Доказано, что АВО, эксплуатирующиеся на площадках КС, постоянно находятся в состоянии нестационарного теплообмена с окружающей средой, не позволяющей использовать стандартные методики расчета и паспортные лучевые характеристики АВО, построенные по зависимостям для стационарного теплообмена.
4 Многофакторным регрессионным анализом показана степень влияния четырех параметров, влияющих на охлаждение газа в АВО и включенных в оценку на основе статистических данных по работе АВО в промышленных условиях.
На защиту выносятся теоретические, экспериментальные исследования и практические рекомендации, направленные на повышение эффективности охлаждения газа в АВО на КС МГ.
Практическая ценность работы
1 Результаты исследований, направленные на повышение эффективности эксплуатации АВО систем охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных трубопроводов включены в рабочую программу дисциплины «Ресурсосберегающие технологии при эксплуатации оборудования НС и КС» для подготовки дипломированных специалистов в УГНТУ по специальности «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» (130501), специализации - «Эксплуатация нефтегазоперекачивающих агрегатов, трубопроводов и хранилищ» и используются в учебном процессе лри чтении лекций, в курсовом и дипломном проектировании.
2 Уравнение множественной регрессии может быть использовано на практике при регулировании режимов работы АВО, т. к. оно устанавливает связь между четырьмя независимыми параметрами, влияющими на теплопередачу АВО: температуры воздуха tB03, температурного напора trBX - tB03, производительности газопровода Qra3 и числа включенных вентиляторов п.
3 Предложен метод оперативного регулирования режимами работы АВО с использованием базы диспетчерских данных и уравнения множественной регрессии, интегрально учитывающего влияние нестационарного теплообмена на теплопередачу.
4 Предложены простейшие конструкции в виде цилиндрической обечайки на выходе вентилятора АВО при его верхнем расположении и направляющие щиты в области воздухозабора, улучшающие аэродинамические характеристики АВО и способствующие увеличению производительности вентиляторов, внешней теплоотдачи АВО, срока службы опорных подшипников валов вентиляторов.
5 Рекомендован комбинированный способ отмывки наружной поверхности оребренных тешюобменных труб, сочетающий в себе эффект динамического воздействия струи с эффектом отмачивания растворителем и являющийся технологичным и экологически безопасным по сравнению с растворами на основе кислот и щелочей.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазовой отрасли», декабрь 2000 г. (Уфа); международной научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт - сегодня и завтра», ноябрь 2002г. (Уфа); IV конгрессе нефтепромышленников России «Газ. Нефть - 2003», май 2003 г. (Уфа); 2-й международной научно-технической конференции «Новоселовские чтения», март 2004 г. (Уфа); Всесоюзной научно - технической конференции «Проектирование нефтегазового оборудования», 2005 (Уфа); международной научно - технической конференции «Эксплуатация магистральных газопроводов: достижения и перспективы», 2005 г., (Астана); международных учебно - научно - практической конференциях «Трубопроводный транспорт - 2005, 2006» (Уфа); 51, 52, 53, 54, 55 -й - научно - технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, УГНТУ (Уфа).
По материалам диссертации опубликовано 27 работ: из них 8 статей, из которых 2 - в журнале «Нефтегазовое дело», 1- без соавторов, 1- за рубежом.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 156 страницах, включает 37 рисунков, 13 таблиц, 60 страниц приложений и список использованных источников из 146 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность проведенных исследований.
В первой главе кратко освещаются проблемы эксплуатации АВО на КС МГ.
На основании обзора литературы делается вывод о необходимости:
- разработки простых технологичных способов повышения теплопередачи АВО;
- осуществления новых конструктивных подходов к решению проблемы интенсификации теплообмена за счет применения устройств, улучшающих аэродинамические характеристики АВО;
- разработки оперативного способа регулирования режимов работы АВО на КС МГ с обратной связью, позволяющего производить регулирование в суточном интервале времени с учетом влияния внешних факторов.
Во второй главе проводигся анализ промышленных экспериментов, проведенных на КС - 19 «Шаран» ООО «Баштрансгаз» в период с 29.04.99 по 5.11.01. Полученные данные позволили выполнить параметрический анализ по величине теплового съема, температурным режимам, коэффициенту теплопередачи и дать качественную оценку эффективности охлаждения газа в АВО типа «Хадсон» и «Крезо - Луар» на основе сравнения фактических (построенных по реальным данным) тепловых характеристик с паспортными.
Для оценки фактического состояния АВО и влияния эксплуатационного загрязнения на их характеристики были выполнены замеры тепловых потоков с первого ряда (по ходу воздуха) теплообменных труб АВО, составлены и проанализированы замерные карты. Выявлена высокая неравномерность теплового съема с оребренной поверхности АВО.
На основании уравнения теплового баланса и данных по фактическому температурному режиму АВО построены действительные «лучевые» характеристики для теплообменного аппарата, интегрально учитывающие всевозможные причины их несоответствия паспортным.
Определен диапазон изменения действительного коэффициента теплопередачи АВО «Хадсон» в течение годового периода эксплуатации и его существенное, в 3...5 раз, отличие от паспортного.
Такое существенное отличие от проектного режима объясняется не только загрязнением оребренных груб, но и тем, что АВО на КС работают в нестационарных режимах.
В третьей главе выполнен корреляционно - регрессионный анализ работы АВО на КС МГ, который показывает, что выходной контролируемый параметр - температура газа trBbIX на выходе из АВО, - находится в сложной зависимости от ряда факторов, влияющих на процесс теплообмена и, в конечном итоге, определяющих эффективность охлаждения газа.
При построении многофакторной регрессионной модели были отобраны пять факторных признаков:
їгвьіх - tB03 - температурный напор на выходе газа из АВО (в общем коллекторе);
W - ївоз - температурный напор на входе газа в АВО (после нагнетателей);
tBOi - температура атмосферного воздуха в районе площадки АВО;
п - число включенных вентиляторов;
Qra3 - расход газа.
Получено уравнение множественной регрессии для результативного признака: температурного напора на выходе газа из АВО. Определены коэффициенты регрессии в зависимости от времени года, условий эксплуатации и технического состояния АВО. Оценка проведена по выборочным множественным коэффициентам корреляции RB, коэффициентам детерминации D, коэффициентам эластичности. Определена степень влияния факторных признаков на результативный с различием по месяцам.
С целью совершенствования процесса охлаждения газа предложен способ оперативного регулирования режимами работы АВО с использованием уравнения множественной регрессии и базы данных, формируемой диспетчерской службой КС, за последний декадный период эксплуатации МГ.
Четвертая глава посвящена разработке способов улучшения аэродинамики АВО. Рассмотрено взаимодействие струйных и атмосферных течений, а также взаимовлияние воздушных потоков при групповом расположении АВО.
Особое внимание уделено исследованию кинематики воздушных потоков в выходных сечениях вентиляторов АВО. Построенные по результатам замеров планы скоростей показали, что при работе вентиляторов АВО в условиях перекрестных воздушных потоков образуются срывные течения на сходе потока с лопастей рабочего колеса, что приводит к биению лопастей, вибрации ротора, усиленному износу опорных подшипников вала вентилятора.
Показано, что эти негативные явления можно свести к минимуму, если применить направляющие аппараты и нарастить цилиндрическую часть обечайки конфузора, который удачно сочетает в себе качества:
- дефлектора, создающего подсасывающий эффект за счет энергии ветра;
- вытяжного устройства, увеличивающего самотягу за счет разности плотностей восходящего кверху нагретого и атмосферного воздуха;
- направляющего аппарата, улучшающего аэродинамику вентилятора и его производительность.
- стабилизатора потока, позволяющего свести к минимуму срывные течения на сходе с лопастей рабочего колеса, а также осевое биение, снижающее наработку подшипников вала вентилятора.
Результаты промышленного эксперимента, проведенного в период с 21.11.2000 г. по 26.11.2000 г. с монтажом направляющих щитов со стороны всасывания и наращивания цилиндрической обечайки со стороны нагнетания вентиляторов АВО «Хадсон» (секции № 1, КС-19 «Шаран»), подтвердили теоретические предпосылки, показав существенное увеличение охлаждения газа в АВО при применении простейших конструкций.
Пятая глава посвящена вопросам повышения эффективности и снижения трудоемкости очистки внутренней и наружной поверхностей теплообменных труб АВО. С целью снижения трудоемкости и повышения эффективности очистки теплообменных труб АВО были проведены два имента: по внутренней и наружной отмывке теплообменных поверхностей труб и три лабораторных опыта по отмывке внутренних поверхностей труб от углеводородных отложений.
Приводятся описания всех экспериментов и результаты в виде таблиц и фотографий образцов.
Проведенный анализ и сопоставление полученных результатов позволили разработать рекомендации по совершенствованию технологий отмывки внутренней и наружной поверхностей теплообменных труб АВО.
Регулирование температурного режима работы АВО и проблемы оперативного регулирования
Тепловой режим МГ зависит в основном от надежной и эффективной работы АВО, т.к. установки охлаждения газа оказывают непосредственное влияние на формирование температурного режима газопровода. Поскольку охлаждающей средой является атмосферный воздух, то температура газа на выходе из АВО повторяет суточные и сезонные изменения температуры воздуха в районе расположения площадки АВО и, как правило, не совпадает с заданной температурой охлаждения газа (рисунок 1.1).
На основании технико - экономического анализа и оптимизации тепловых режимов магистрального газопровода показано [11, 13, 14], что наиболее экономичным способом регулирования является способ изменением количества работающих вентиляторов в установках АВО, а в последние годы -изменением частоты вращения вентиляторов (частотно - регулируемый привод) [99, 106].
Исследованием технико - экономических показателей для различного уровня охлаждения газа и оптимизации тепловых режимов на КС МГ посвящены работы Р.Н. Бикчентая, З.Т. Галиуллина, СВ. Карпова, И.И. Максимова, Г.Э. Одишария, Г.Е. Тункеля, М.М. Шпотаковского [11, 12, 13, 14, 67, 95, 124, 133], А.А. Вассермана, В.А. Загорученко, А.Н. Козаченко [11, 125] и других исследователей [17, 109].
В [133] показано, что экономия 100 кВт мощности АВО приводит к перерасходу 500 кВт мощности нагнетателей и газ на КС должен охлаждаться до максимально возможного уровня.
По данным [1] недоохляждение природного газа на 3 С и переохлаждение его на 1,5 С относительно оптимальной температуры газа после ABO trBbIX = 31 С приводит к дополнительным затратам в сумме 2500 $ за три месяца непрерывной работы КС (с производительностью 100 млн. н. м3/сут), оборудованной АВО АВГ-75 в количестве 14 шт.
Вопрос непосредственного определения числа работающих вентиляторов в эксплуатационном цикле АВО решается ежедневно, если не ежечасно и является непростым. Так как фактическая подача вентиляторов зависит от многих факторов и практически остается неизвестной, то расчетным путем определить число включенных вентиляторов весьма сложно.
Вопросы повышения эффективности работы АВО газа различными методами рассматриваются в работах [25, 26, 58, 113].
Повышению эффективности эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения на промыслах Крайнего Севера посвящены исследования Давлетова К.М. [51], который разработал принципы и способы управления процессами охлаждения газа в АВО. Основанные на автоматическом регулировании расхода воздуха и его рециркуляции, способы управления обеспечивают при постоянно минимально допустимой температуре стенки труб максимальную рекуперацию газа практически в любых реализуемых диапазонах изменения режимных параметров [51, 52].
Автор рассматривает три параметра, допускающие регулирование: расход воздуха, газа и входную температуру воздуха, - и в соответствии с этим предлагает три способа регулирования охлаждения газа в АВО, которые можно применять отдельно и в сочетании, т. е. как комбинированные: - частичная рециркуляция воздуха (позволяет повышать входную температуру воздуха); - регулирование переменным расходом воздуха (изменением числа оборотов приводов вентиляторов); - ступенчатое изменение расхода газа (отключение, включение и переключение аппаратов). Автор также отмечает, что жалюзийное регулирование повышает степень стабильности работы АВО. Данные вопросы оптимального регулирования рассматриваются для условий газовых промыслов Крайнего Севера.
Однако, при высоких : температурах компримирования газа и отсутствии опасности гидратообразования указанные способы не везде находят комплексного применения. В условиях континентального и резкоконтинентального климата регулирование режимов работы АВО в своем большинстве производится включением и отключением вентиляторов, а также изменением числа работающих аппаратов.
В совокупности, изменение температуры наружного воздуха и ступенчатое изменение режимов охлаждения газа в АВО (числом включенных вентиляторов) создают условия для нестационарного теплообмена и объясняют нестабильность выходных параметров: температуры газа trBbIxKc и давлении РГВыхкс на выходе КС.
Следует также отметить, что заводские характеристики, методики тепловых расчетов [86, 90, 91] и лучевые характеристики АВО рассчитаны на стационарный режим работы АВО с чистыми поверхностями теплообмена.
Работа [51] отличается тем, что автор разработал методику с учетом условий, предотвращающих гидратообразование. Однако здесь не учтено и не оценено влияние загрязненности трубок на результаты расчетов.
Практика эксплуатации магистральных газопроводов большого диаметра, оборудованными АВО, показывает, что такое положение типично и указывает на несовершенство и недостаточное качество регулирования режимами работы АВО. Из данных журнала учета работы вентиляторов КС-19 «Шаран» следует, что число включений и отключений вентиляторов велико. Например, в августе, декабре и январе, число переключений достигало 41...43 за месячный период эксплуатации парка АВО, состоящей из десяти установок АВО «Хадсон» [36, 37].
Практический способ регулирования режимов работы АВО и его недостатки
Эксплуатационные затрагы на компримирование газа напрямую зависят от степени и качества охлаждения газа в АВО.
Регулирование теплосъема в АВО предусматривается проектом, для чего лопасти осевых вентиляторов изготавливаются поворотными. Изменение угла атаки лопастей может осуществляться в широком диапазоне.
Например, согласно технической характеристики АВО фирмы «Хадсон» угол установки лопастей можно изменять в пределах Р= - 10,3...+ 13,2 , что позволяет изменять производительность вентилятора и напор по воздуху.
Но, для оперативного регулирования данный способ практически непригоден, т.к. требует вывода аппарата из работы и точной установки вручную нового угла р для всех 4...6 лопастей рабочего колеса вентилятора. Подобные операции трудоемки и занимают много времени.
Если учесть, что число веттиляторов парка АВО на КС МГ измеряется десятками, то становится очевидным, что такой способ непригоден для оперативного регулирования.
Тем не менее, такое регулирование возможно при наличии на КС резервных аппаратов (параллельно-последовательная их установка), на которых лопасти установлены с различными углами атаки р, т.е. вентиляторы настроены заранее на различные производительности.
В этом случае группа вентиляторов работает на полную нагрузку, и в зависимости от температуры окружающей среды, в работу вводятся резервные вентиляторы, чем обеспечивается стабильность работы группы АВО и постоянство температуры газа, подаваемого в газопровод.
В практике эксплуатации СО КС МГ самым распространенным методом регулирования температуры газа за АВО является отключение и включение вентиляторов АВО. Такой метод регулирования называется ступенчатым методом, т.к. включение или выключение вентиляторов неизбежно генерирует определенный температурный импульс, который, развиваясь в системе АВО - магистральный газопровод, определяет направление и характер протекания неравновесных процессов, которые могут привести, в конечном итоге, к развитию стресс - коррозии, к потере устойчивости трубопровода и другим нежелательным явлениям.
Так как включение и отключение АВО формирует мощный тепловой импульс, то очевидна необходимость качественного регулирования работой АВО с целью стабилизации режимов работы газопровода КС МГ.
Графики на рисунках 2.1 :т. 2.2 наглядно иллюстрируют температурный режим охлаждения газа в АВО.
Из рисунка 2.1 видно, насколько может быть неэффективным регулирование изменением числа работающих вентиляторов. Октябрь -осенний месяц, характеризующийся резкими климатическими изменениями. Резко изменяется температура воздуха не только в течение суток, но и среднесуточная температура воздуха.
Например, внезапное похолодание воздуха на 12 С, произошедшее за одни сутки, с 2.10.98 на 3.10.98, привело к снижению температуры газа на выходе из АВО на 6 С.
В период потепления с 8.10.98 по 12.10.98 не удалось стабилизировать температуру газа после АВО. За этот период температура газа увеличилась почти на 3 С, несмотря на последовательное включение вентиляторов АВО.
В целом за рассматриваемый период режим отличается нестабильностью теплообмена. Температура газа на выходе из АВО менялась ежедневно, несмотря на то, что постоянно производилось регулирование температуры газа на выходе АВО изменением числа работающих вентиляторов. Согласно данным журнала учета работы вентиляторов АВО цеха КС-19 число переключений за данный месяц составило 38.
Качество регулирования работы АВО часто бывает неэффективным, (рисунок 2.2). Например, в течение периода с 23.03.98 по 31.03.98, число включенных вентиляторов оставалось практически неизменным. За это время температура газа на выходе АВО выросла на 1,8 С. Включив дополнительно два вентилятора на 01.04.98 и не учитывая естественного похолодания воздуха за последующие два дня на 12,8 С, получили колебание температуры, или температурный импульс AtrBLIX = 37,7 - 35,4 = 2,3 С.
Такая ситуация типична для газопровода, о чем свидетельствуют данные диспетчерской службы на любой другой период времени (приложение 2).
Причина недостаточного качества регулирования в том, что при выполнении указанных операций трудно учитывать тепловую инерцию системы.
Следовательно, необходимо исследовать фактические условия теплообмена АВО в условиях КС МГ, получить действительные лучевые характеристики и предложить способ оперативного управления режимами работы парка АВО
Корреляционный анализ и отбор факторных признаков
Как уже было изложено выше, температура газа на выходе из АВО, находится в сложной зависимости от ряда факторов.
Основываясь на физических представлениях полагаем, что максимальное влияние на процесс теплопередачи оказывает температурный напор At = trBX - tB03, так как тепловые потери пропорциональны разности температур газового и воздушного потоков q = K-F-At. (3.1)
Коэффициент теплопередачи К интегрально учитывает влияние всех остальных факторов. Точно рассчитать его чрезвычайно сложно. Существуют различные методики для его расчета [90, 91, 131 и др.], но ни одна из них не является совершенной по той причине, что аналитически невозможно учесть влияние всех внешних факторов (внутреннее и наружное загрязнение поверхностей теплообмена, расположение АВО на площадке, взаимное влияние работы вентиляторов АВО друг на друга). Выделим основные независимые переменные, количественно определяющие теплообмен, а следовательно и температуру газа trBbIX на выходе из АВО. Влияние таких параметров, как температурный напор At = trBX - tB03 и температура воздуха tB03, очевидно.
Третий параметр - это расход газа Qra3, который обычно бывает известен, его можно замерить и проконтролировать. Газовый поток идет по теплообменным трубам и равен производительности газопровода.
В качестве четвертого параметра следует рассматривать расход QB03 воздушного потока, омывающего пучок оребренных труб.
Заметим, что величину Qra3 легко определить, но определение величины QB03 - задача не из легких. По сути дела, это производительность вентиляторов и ее нельзя измерить непосредственно. Но тем не менее, учесть величину воздушного потока в математической модели возможно даже при самом различном сочетании его аэродинамических особенностей, если ввести в рассмотрение число включенных в работу вентиляторов п, т.к. расход воздуха QB03 через теплообменные трубы АВО напрямую зависит от числа работающих вентиляторов.
Чем больше число работающих вентиляторов, тем больше расход воздуха через межтрубное пространство аппаратов. Но пропорциональной зависимости здесь нет, так как поток воздуха увеличивается за счет конвекции и самотяги в проточной части неработающих вентиляторов. Кроме того, на QB03 влияет скорость и направление ветра, рельеф местности, загрязнения и т.д. Поэтому неверно было бы учитывать QB03, как суммарную паспортную производительность вентиляторов, находящихся в работе, тем более, что действительная производительность вентиляторов отличается по причине загрязнения и различного технического состояния АВО.
Поэтому четвертым параметром выбираем п - число работающих или включенных вентиляторов, по данным таблицы 3.1, интегрально учитывающих влияние всевозможных факторов на воздушный поток QB03.
В качестве базы исходных данных используем осредненные значения параметров газа из диспетчерских суточных ведомостей КС - 19 (таблицы П 2.1 - П 2.12 приложения 2 и таблица 3.1).
При изучении связи между пятью переменными четыре из них принимаются за независимые переменные Х\, Х2, Хз, Х4 (факторные признаки), а пятая У - за функцию (результативный признак). У = їгвьіх - tB03 - разница температуры газа на выходе из АВО (в общем коллекторе) и среднесуточной температуры воздуха в районе площадки АВО, С; Xi = trBX - tB03 - разница температуры газа до АВО (после нагнетателей) и среднесуточной температуры воздуха, С; Хг = tB03 - температура воздуха в районе площадки АВО за сутки, С; Х3 = п - число включенных вентиляторов; Х4 = Qm - расход газа, тыс. н. м3/ч.
Для изучения корреляционной зависимости между переменными X], Хг, Хз, Х4 и У и отбора факторных признаков в модель были составлены уравнения парных регрессий между переменными, а также определены соответствующие парные коэффициенты корреляции с помощью универсальной программы расчета «Regre 2.6» (таблица 3.2).
Особенности работы вентиляторов АВО в условиях перекрестных воздушных потоков
Практика эксплуатации АВО компрессорных станций магистральных газопроводов показывает, что значительное влияние на работу колес вентиляторов оказывают воздушные течения. Дело в том, что вентиляторы АВО работают в условиях, отличающихся от проектных не только из-за загрязненности и загромождения межреберных пространств теплообменных труб, но также они работают в условиях повышенных нагрузок [23, 24, 25].
Результаты промышленного эксперимента показали, что при любой ветровой нагрузке, в большей или меньшей степени, проявляется неравномерность скоростей на выходе потока воздуха из вентилятора (с рабочего колеса). Построенные по результатам замеров диаграммы отчетливо показывают влияние ветра на перераспределение поля гкоростей.
При обычных скоростях, а именно: средней скорости потока воздуха на выходе из вентилятора 4,31...4,69 м/с и скорости ветра WB = 2,5...4,5 м/с, - отклонение скоростей воздушных струй от средней величины достигает 12...91 % на радиусе 1,95 ми - 40...+78 % на радиусе 2,15 м (таблица 4.1).
Максимальные отклонения аксиальной составляющей скорости от средней величины в выходном сечении определяются направлением и силой ветра.
Взаимодействие воздушных потоков при работе группы вентиляторов очень сложное и объясняется взаимовлиянием перекрестных потоков: закрученным и вертикально направленным воздушным потоком от вентилятора и потоком воздуха, сформированного атмосферными течениями.
Рассмотрим обтекание атмосферным воздухом параллельных воздушных потоков в выходном сечении вентиляторов (рисунок 4.10).
Так как вентиляторные колеса установлены в цилиндрических обечайках и не имеют направляющих аппаратов, на выходе с лопастей воздушные струи неизбежно попадают под воздействие атмосферных течений.
В результате образуются следующие эффекты: присоединенные нестабильные вихри (в зонах 1 и 3); нестационарные течения, вызываемые изменением окружной составляющей абсолютной скорости на сходе с лопастей (в зонах 2 и 4); нарушение обтекания профилей на сходе с лопастей и возникновение срывных течений.
Таким образом возможен отрыв струй от поверхности профиля на сходе с лопасти, что приводит к резкому возрастанию сопротивления, искажению поля скоростей и переформированию обтекающего профили потока, а в конеч ном итоге к изменению энергетических характеристик вентилятора и ухудшению его технического состояния. .
При малом статическом напоре вентиляторы АВО работают в условиях перекрестных потоков с большими динамическими нагрузками.
Рассмотрение кинематики потока и планов скоростей (рисунок 4.11) на сходе с лопастей колеса показывает, что отклонения вектора абсолютной скорости С2 по периметру окружности обечайки весьма существенны. Макси мальные отклонения вектора абсолютной скорости С2 наблюдаются при прохождении зон 1 и 3 (рисунок 4.10). План скоростей в выходном сечении осевого колеса вентилятора строится следующим образом. В масштабе т=2,5-— откладывается величина окружай ной скорости U2: 275 U2 =7i-D2-n = тг-4,267 = 61,4м/с. (4.11) 60 v Затем определяется направление вектора относительной скорости w2. Для этого, в соответствии с фактическом углом установки лопастей, от вершины вектора U2 откладывается величина угла установки лопасти вентилятора р2=7.
Треугольник скоростей на выходе с рабочего колеса достраивается следующим образом. Так как величина осевой составляющей абсолютной скорости С2а определена экспериментально, то откладывая по вертикали вверх в масштабе среднюю на радиусе R величину скорости С2а =5,13м/с и проводя горизонталь до пересечения с направлением скорости w2, выстраиваем треугольник скоростей на выходе и получаем значения остальных скоростей: величину относительной скорости w2=17,0-m = 17,0-2,5 = 42,5м/с, или w2 = C2a/sin32 =5,13/sin7 = 42,5м/с; величину абсолютной скорости С2 = 8,0 -т = 8,0 -2,5 = 20,0м/с; окружную составляющую абсолютной скорости C2u =7,7-т = 7,7-2,5 -19,25м/с, или C2u=U2-C2a-ctg(32=61,4-5,13-ctg7=19,25M/c. Проверяем правильность построений, подсчитав абсолютную скорость c2 = Cl+C2u = л/5Д З2 +19,252 = 19,9 20,0л I с.
Откладывая, в масштабе, величину скорости ветра WB = ± (5... 10) м/с, получаем реальный диапазон колебания вектора относительной скорости w2...w2 =32,75...52,5м/с. За один оборот рабочего колеса вентилятора вектор скорости w2 на сходе с лопасти меняет свое направление в диапазоне р2=5,5...9,0и.При этом фактическая величина абсолютной скорости меняется в диапазоне С2...С2 = 10,0...32,0 м/с, т. е., более чем в 3 раза.
Изменение величины скоростей и их направлений происходит циклически и рывками, с периодичностью, равной 275 1/мин = 4,58 1/с, что отражается самым неблагоприятным образом на работе вентилятора, а именно: - расшатывает и ослабляет крепления лопастей вентиляторов к ступице; - является причиной вибраций ротора и приводит к усиленному износу подшипников вала; - нарушает безотрывное обтекание лопастей вентилятора воздушным потоком и приводит к возникновению срывных течений, ухудшая аэродинамические характеристики; - снижает механический и аэродинамический к.п.д. вентилятора; - снижает полезную мощность и общий к.п.д. вентилятора.
Все это подтверждается многолетними практическими наблюдениями.
Кроме аэродинамических показателей, дающих возможность количественной оценки параметров работы вентиляторов, имеется ряд косвенных признаков, характеризующих неудовлетворительную работу вентилятора. К ним относятся: неустойчивый поток воздуха во входном сечении конфузора, периодические обратные хлопки, заметная вибрация аэродинамических элементов вентилятора на напорной стороне и т.д.
Похожие диссертации на Повышение эффективности эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения на магистральных газопроводах
