Содержание к диссертации
Введение
I. Роль систем охлаждения природного газа на линейных КС при магистральном транспорте природного газа 7
1.1. Назначение и основные схемы систем охлаждения природного газа на КС, основное оборудование, используемое в них 7
1.2. Обвязка и основное энерготехнологическое оборудование компрессорной станции «Долгое» 21
1.3. Режимы работы систем охлаждения природного газа, оснащенных АВО 24
1.4. Основные задачи, решаемые при эксплуатации и обслуживании систем охлаждения природного газа, оснащенных АВО 29
1.5. Цель и задачи диссертационной работы 34
Выводы по первой главе 37
II. Оптимизация режимов работы систем охлаждения природного газа на КС МГ, оснащенных АВО 38
2.1. Критерии оценки методов повышения эффективности эксплуатации и регулирования режимов работы систем охлаждения природного газа 38
2.2. Определение оптимальной температуры природного газа на выходе компрессорных станций 46
2.3. Определение средней температуры смеси природного газа на выходе из системы охлаждения КС МГ 55
2.4. Определение теплоэнергетических показателей установок охлаждения газа на переменных режимах 59
2.5. Действительные теплотехнические характеристики АВО 64
2.6. Лучевые характеристики АВО после многолетней эксплуатации 76
Выводы по второй главе 84
III. Оценка методов повышения эффективности эксплуатации и регулирования режимов работы систем охлаждения природного газа 86
3.1. Методы повышения эффективности работы АВО газа 86
3.2. Рациональное регулирование режимов работы АВО газа на КС МГ за счет включения (отключения) вентиляторов 90
3.3. Эффективность использования перемычек между цеховыми группами АВО 99
3.4. Оценка эффективности работы вентиляторов АВО различных модификаций 107
3.5. Анализ целесообразности использования частотных регуляторов электродвигателей вентиляторов АВО 121
3.6. Оценка эффективности очистки внутренней и наружной поверхностей теплообменных труб АВО 127
Выводы по третьей главе 137
Основные выводы и результаты
Диссертационной работы 139
Список литературы 140
- Назначение и основные схемы систем охлаждения природного газа на КС, основное оборудование, используемое в них
- Определение оптимальной температуры природного газа на выходе компрессорных станций
- Лучевые характеристики АВО после многолетней эксплуатации
- Оценка эффективности работы вентиляторов АВО различных модификаций
Введение к работе
Газотранспортная система страны является крупнейшим потребителем энергетических ресурсов. В связи с этим, экономия энергетических затрат при магистральном транспорте природного газа является в настоящее время, наряду с повышением надежности, одной из важных задач, решаемых при проектировании, эксплуатации, реконструкции и модернизации основных объектов газотранспортной системы.
Одной из основных технологических систем компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов (МГ) является система охлаждения природного газа. Работа систем охлаждения на КС МГ обеспечивает надежность линейной части газопровода, снижает энергетические затраты на транспорт природного газа и способствует увеличению пропускной способности газопровода. Наибольшее распространение на линейных КС МГ получили системы охлаждения, оснащенные аппаратами воздушного охлаждения (АВО) газа.
Повышение эффективности и оптимизация режимов работы аппаратов воздушного охлаждения газа и систем охлаждения газа в целом является одним из ресурсов энергосбережения при транспортировке природного газа. Решению этих задач и посвящена представляемая диссертационная работа.
В своих исследованиях автор опирался на работы Н.И. Белоконя,
Р.Н. Бикчентая, Г.В. Бахмата, З.Т. Галиуллина, С.П. Зарицкого, А.Ф. Калинина, В.И. Кочергина, А.С. Лопатина, Б.П. Поршакова, А.Д. Седыха,
О.А. Степанова, М.М. Шпотаковского и других ученых и специалистов, посвященные различным аспектам решения задач энергосбережения при магистральном транспорте природного газа.
Актуальность темы диссертации обусловлена, прежде всего, важностью задачи снижения энергетических затрат при магистральном транспорте природного газа. При этом одним из ресурсов энергосбережения при магистральном транспорте природного газа является повышение эффективности работы систем охлаждения газа на КС. Изменение режимов работы магистральных газопроводов, появление новых видов компоновки КС и новых типов аппаратов воздушного охлаждения газа, развитие и совершенствование методов обслуживания и способов модернизации АВО требуют решения целого ряда задач, направленных на повышение эффективности работы систем охлаждения технологического газа.
Целью диссертационной работы является разработка и оценка методов повышения эффективности работы АВО газа и систем охлаждения газа в целом на КС МГ при проектировании, эксплуатации, техническом обслуживании и модернизации.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
провести анализ и выбор критериев оценки эффективности эксплуатации АВО газа и систем охлаждения технологического газа на КС МГ;
разработать методику оценки эффективности и оптимизации режимов работы систем охлаждения газа на КС МГ и провести ее апробацию;
разработать методику и компьютерную программу определения действительных теплотехнических характеристик АВО на всех режимах их работы и определить эти характеристики для аппаратов, которыми оснащена система охлаждения действующей КС – объект исследования;
аналитически и экспериментально оценить эффективность режимов работы АВО и предложить алгоритм рационального регулирования режимов работы аппаратов в системе охлаждения газа на КС;
определить эффективность использования перемычек между цеховыми системами охлаждения газа;
провести оценку методов повышения эффективности работы аппаратов воздушного охлаждения газа.
Научная новизна работы заключается в том, что в ходе решения поставленных задач был получен ряд новых результатов:
предложен интегральный системный критерий оценки эффективности режимов работы системы охлаждения газа с учетом их влияния на термобарический режим линейного участка и энергетические затраты в системах компримирования и охлаждения газа последующей КС;
разработана методика определения оптимального режима работы системы охлаждения газа и проведена ее апробация;
дано аналитическое решение задачи сопоставления эффективности режимов работы АВО и предложен алгоритм рационального регулирования режимов работы аппаратов в системе охлаждения газа на КС МГ;
предложена методика определения действительных характеристик АВО при различных режимах их работы.
Практическая ценность. О практической ценности диссертации свидетельствует то, что она выполнялась, исходя из конкретных потребностей газовой отрасли, и направлена на реализацию «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» и «Концепции энергосбережения в ОАО «Газпром» на 2011 – 2020 гг.».
Разработанные в диссертации методики и компьютерные программы могут быть использованы для оценки эффективности эксплуатации и оптимизации режимов работы систем охлаждения технологического газа на КС МГ с целью снижения энергетических затрат на транспорт природного газа.
Представленные в работе методики апробированы при обработке эксплуатационных характеристик технологических участков МГ ООО «Газпром трансгаз Москва», ООО «Газпром трансгаз Югорск» и основных объектов, входящих в них, за период 2007 – 2011 г.г.
Апробация работы. Основные результаты проведенного исследования докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на:
VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России»
(г. Москва, 1-3 февраля 2010 года);
IX Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 4-7 октября 2011 года);
научно-технической конференции молодых работников ООО «Газпром трансгаз Москва» (Московская обл., УПЦ «Зименки», 20-24 сентября
2010 года);
научно – методических семинарах кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 научных работ, в том числе 3 статьи – в ведущих рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов и результатов работы, списка литературы из 112 наименований. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 20 таблиц.
Назначение и основные схемы систем охлаждения природного газа на КС, основное оборудование, используемое в них
Одной из основных технологических систем КС МГ является система охлаждения природного газа. Работа систем охлаждения на КС МГ обеспечивает надежность линейной части газопровода, снижает энергетические затраты на транспорт природного газа и способствует увеличению пропускной способности газопровода.
К режимам работы систем охлаждения природного газа предъявляется ряд необходимых требований. В частности, температура природного газа после системы охлаждения на входе в линейный участок должна быть выше температуры гидратообразования и ниже максимально допустимой температуры устойчивой работы изоляционного покрытия и линейных участков МГ.
Отсутствие системы охлаждения на КС приводит к тому, что газ не успевает охлаждаться между станциями до уровня температуры газа на входе в предыдущую станцию. В результате этого, по мере увеличения дальности транспорта газа от станции к станции, по длине трубопровода происходит непрерывное повышение температуры газа, что в свою очередь приводит к увеличению затрат мощности на транспорт газа, нарушению изоляционного покрытия, снижению пропускной способности газопровода и, в ряде случаев, к потере устойчивости самого трубопровода.
Наибольшее распространение на линейных КС МГ получили системы охлаждения, оснащенные аппаратами воздушного охлаждения (АВО). Аппараты воздушного охлаждения не требуют предварительной подготовки теплоносителя, имеют простые схемы, экологически чисты, надежны в эксплуатации.
Система охлаждения на КС МГ может быть либо цеховой, либо агрегатной. АВO на КС МГ входящие в цеховые системы охлаждения включают в себя обычно от 8 до 16 аппаратов воздушного охлаждения. В цеховой группе АВО происходит охлаждение природного газа, сжимаемого в газоперекачивающих агрегатах данного цеха (рис. 1.1 1.2) [40].
В настоящее время на вновь строящихся компрессорных станциях и на реконструируемых КС планируется использовать модульную компоновку станций, при которой каждый ГПА будет оборудован агрегатными системами охлаждения технологического газа, подготовки топливного газа и т.д. с переносом цеховых систем на агрегатный уровень (рис. 1.3) [67,79, 104].
В представленном варианте модульной компоновки КС цеховая система охлаждения технологического газа перенесена на агрегатный уровень, а система очистки природного газа осталась на цеховом уровне (рис. 1.3). Однако рассматриваются варианты модульной обвязки ГПА с переносом и системы очистки на агрегатный уровень. За счет модульной компоновки КС предполагается в 2,5 - 3 раза уменьшить гидравлические потери в обвязке КС и повысить эффективность работы энерготехнологического оборудования в системах очистки и охлаждения технологического газа [79].
В аппаратах воздушного охлаждения происходит охлаждение потока природного газа, проходящего по трубному пучку АВO, за счет теплообмена с атмосферным воздухом. Эти аппараты включают в себя следующие основные узлы и агрегаты: секции сребренных теплообменных труб различной длины (от 3 до 12 м), вентиляторы с электроприводом, диффузоры и жалюзи для регулировки производительности воздуха, несущие металлоконструкции и, в некоторых случаях, механизмы регулирования [40].
Аппараты воздушного охлаждения газа выполняются с верхним и нижним расположением вентиляторов, с горизонтальными и зигзагообразными теплообменными секциями (рис. 1.4, 1.5, 1.6) [66].
Через пучок сребренных теплообменных труб прокачивается воздух вентилятором с приводом от электродвигателя. Поток воздуха может либо нагнетаться в пакет (нижнее расположение вентилятора), либо вытягиваться из него (верхнее расположение вентилятора).
Преимущество нагнетания воздуха состоит в том, что вентилятор и привод находятся в холодном воздухе, что повышает эффективность вентилятора (а это может снизить его стоимость), упрощает крепление вентилятора и привода и облегчает обслуживание. Однако в этом случае воздушный поток через трубный пучок весьма неоднороден, а низкая скорость нагретого воздуха при естественной конвекции может стать причиной рециркуляции горячего воздуха и снижения максимальной разности температур между природным газом и воздухом. Откачивание воздуха из трубного пучка (верхнее расположение вентиляторов) обеспечивает высокие скорости и несколько снижает влияние естественной конвекции, а, следовательно, и рециркуляции воздуха [66].
Для подачи охлаждающего воздуха применяют осевые вентиляторы пропеллерного типа с диаметром колеса от 0,8 до 7 м производительностью до 1,5 млн. м3/час. Колеса вентиляторов изготовляют сварными из алюминия или из композитных материалов.
Теплообменные трубы, применяемые в АВО, имеют развитые оребренные наружные поверхности. Коэффициент оребрения этих труб, равный отношению поверхности с ребренной трубы к наружной поверхности гладкой трубы по основанию ребер, находится в пределах от 7,8 до 23,8 [40]. Это связано с тем, что коэффициент теплоотдачи от природного газа к внутренней поверхности теплообменных труб значительно выше коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности труб в окружающую среду. Оребрение выполняют глубокой спиральной накаткой труб из деформируемого алюминиевого сплава, а также завальцовкой в спиральную канавку на трубе или приваркой металлической ленты или напрессовкой ребер (рис. 1.7) [27].
Основные характеристики некоторых типов аппаратов воздушного охлаждения, используемых на КС МГ страны представлены в табл. 1.1.
В силу того, что эффективность работы систем охлаждения, оснащенных АВО, напрямую зависит от разности температур между теплоносителями, все существующие схемы предусматривают охлаждение газа после его компримирования на станции [40].
Расположение технологических участков МГ в районах многолетнемерзлых грунтов при подземной прокладке газопровода накладывает особые требования к режимам работы систем охлаждения природного газа на КС. В этих условиях для сохранения устойчивости труб и требований защиты окружающей среды необходимо минимизировать тепловое воздействие газопроводов на многолетнемерзлые грунты. Для этого системы охлаждения природного газа на КС должны обеспечивать температуру газа на выходе из станций t , -0-минус 2 С [40].
Системы охлаждения газа на КС, оснащенные только АВO не могут обеспечить такого теплового режима газопроводов при положительных температурах окружающего воздуха. В связи с этим, на КС МГ, расположенных в районах многолетнемерзлых грунтов, для обеспечения требуемого теплового режима газопровода применяются двухступенчатые системы охлаждения природного газа, в которых первая ступень оснащена АВО, а вторая ступень - холодильными системами: холодильными машинами или турбодетандерами.
Вторая ступень охлаждения технологического газа в этих условиях называется станциями охлаждения газа (СОГ). Принципиальная схема КС, на которой применяется двухступенчатая система охлаждения газа с использование холодильных машин представлена на рис. 1.8.
При работе КС по этой схеме природный газ после очистки и компримирования поступает в первую ступень системы охлаждения, оснащенной АВО, а затем во вторую ступень, оснащенную холодильной машиной, в которой и происходит охлаждение природного газа до требуемого значения температуры на входе в линейный участок. В таких системах охлаждения могут использоваться как парокомпрессионные, так и абсорбционные холодильные машины, использующие теплоту отработавших продуктов сгорания ГТУ [40].
В качестве второй ступени системы охлаждения газа на КС технологических участков МГ в районах многолетнемерзлых грунтов могут также использоваться турбодетандеры, при расширении газа в которых также обеспечивается понижение его температуры до требуемого уровня. При этом, мощность, вырабатываемая в турбодетандере при расширении газа, может использоваться для привода генератора электрической энергии или привода центробежного компрессора второй ступени сжатия системы компримирования.
Определение оптимальной температуры природного газа на выходе компрессорных станций
В качестве критерия, по которому можно оценить экономическую обоснованность выбора оптимальной температуры газа на выходе из компрессорной станции можно использовать сумму значений энергетической составляющей эксплуатационных затрат в системе охлаждения технологического газа Ссох1 рассматриваемой компрессорной станции (КС-1) и системах компримирования Сск2 и охлаждения Ссох2 последующей станции (КС-2) (2.13) (рис. 2.1).
Исходя из условия минимального значения суммы энергетических составляющих эксплуатационных затрат в системе охлаждения технологического газа рассматриваемой станции и системах компримирования и охлаждения последующей КС можно определить оптимальное значение температуры газа на входе линейного участка МГ h-ionm (рис. 2.1, 2.2).
В качестве критерия оценки эффективности режимов работы системы охлаждения природного газа на КС-1, на которой проводится энергетическое обследование, предлагается использовать перерасход суммарного значения энергетической составляющей эксплуатационных затрат в системе охлаждения технологического газа Ссох! рассматриваемой компрессорной станции (КС-1), системах компримирования Сск2 и охлаждения Ссох2 последующей станции (КС-2) в действительном режиме эксплуатации системы охлаждения CZcoxld относительно оптимального СІіСОх]тіп (рис. 2.2)
Чем ниже значение критерия оценки эффективности режимов работы системы охлаждения природного газа, тем ближе режим эксплуатации системы охлаждения к оптимальному (2.15).Система охлаждения природного газа на КС-1 состоит из 16 аппаратов воздушного охлаждения типа 2АВГ-75, оборудованными вентиляторами с электрическими двигателями мощностью по 37 кВт каждый. Система компримирования на КС-2 оборудована 3 агрегатами типа ГПА-Ц-16 с эффективным КПД т]е0 равным 27,4% и коэффициентами технического состояния ГТД КАе и ЦБН Ки равными 0,95. Средняя цена электрической энергии на КС-1 равна 3 руб./(кВт-ч). Цена топливного газа на КС-2 составляет 3000 руб/1000м3.
Оптимальные значения температуры охлаждения технологического газа перед линейным участком МГ на КС-1 определялись для 5 режимов работы газопровода (табл. 2.2).
При переходе на новые режимы в соответствии с соотношением (2.14) тепловая мощность системы охлаждения рассматриваемой КС возрастает на 3 режимах работы и остается неизменной на 4 и 5 режиме работы технологического участка МГ. Наиболее оптимальным для 4 и 5 режима работы является работа всех АВО в режиме свободной конвекции. Анализируя результаты расчета оптимальной температуры на входе в линейный участок МГ можно отметить, что включение вентиляторов в системе охлаждения на КС-1, в случае последних двух режимов работы, как энергетически, так и экономически не выгодно. Связано это с низким расходом природного газа через систему охлаждения КС-1 и низким относительным КПД ГТУ ffe на КС-2. Включение дополнительных вентиляторов при первых 3 режимах работы привело к увеличению тепловой мощности системы охлаждения на 5,4 13,6 МВт и к понижению температуры потока природного газа на входе в линейный участок на 2,9 +8,4 С.
При переходе работы системы охлаждения рассматриваемой КС на альтернативный режим с минимальными суммарными часовыми энергетическими затратами на охлаждение газа на рассматриваемой КС и компримирование и охлаждение газа на последующей КС, ведет к снижению суммарной мощности, расходуемой на охлаждение газа на КС-1 и компримирование природного газа на КС-2, в зависимости от режима работы технологического участка МГ от 835 до 1065 кВт.
Экономическое сопоставление альтернативных режимов эксплуатации системы охлаждения КС-1 показывает, что снижение температуры природного газа в системе охлаждения рассматриваемой КС за счет включения электроприводных вентиляторов приводит к снижению эксплуатационных расходов от 142 до 380 руб/час в зависимости от режима работы участка (рис. 2.3). Однако необходимо заметить, что в условиях постоянно изменяющихся цен на электрическую энергию и топливный газ, возможно, такое соотношение цен при котором будет энергетическое снижение суммарных затрат на охлаждение и компримирование газа на КС вследствие включения дополнительных вентиляторов в системе охлаждения на предыдущей КС, а экономически будут не выгодны данные альтернативные режимы работы [35].
Определение оптимального значения температуры природного газа на выходе КС МГ следует проводить постоянно с целью оптимизации режима работы системы охлаждения газа при изменяющихся режимах работы газопровода и погодных условий с учетом действительных теплотехнических характеристик АВO.
Лучевые характеристики АВО после многолетней эксплуатации
Для выбора оптимальных режимов работы АВО и системы газопровода в целом необходимо наличие достоверных характеристик, построенных с учетом изменений технического состояния теплообменных секций АВO, возникающих в процессе эксплуатации.
Регулирование работы АВO осложняется тем, что паспортные характеристики не могут быть использованы в создавшейся ситуации, а расчет режимов охлаждения невозможен, т.к. неизвестны тепловые сопротивления соответственно внутреннего и наружного загрязнения труб.
Такие факторы, как загрязнение, коробление и провисание теплообменных труб, взаимное влияние расположенных близко друг от друга секций АВО, влияние рельефа местности и т.д. в методиках расчета учесть практически невозможно. Поэтому возникла необходимость корректировки и построения действительных тепловых характеристик АВО.
Ранее в данной работе были получены действительные теплотехнические характеристики аппаратов отечественного производства типа 2АВГ-75 и аппаратов воздушного охлаждения, производимых итальянской фирмой «Nuovo Pignone», установленные на одной из действующих КС МГ. Данные характеристики АВО устанавливают, зависимость в аналитической и графической формах тепловой мощности одного АВО QABQ от разности температур между природным газом и атмосферным воздухом At. При построении подобных характеристик не учитывается влияние изменения расхода природного газа через АВO. В связи, с чем данные характеристики не достаточно точно отображают реальное техническое состояние АВO. Кроме этого при сравнении нескольких режимов работы АВO, через определенный промежуток времени можно допустить ошибку в оценке технического состояния определив ее ухудшение или улучшение из-за различного расхода технологического газа через аппарат.
С целью построения действительных тепловых характеристик, учитывающих снижение коэффициента теплопередачи к вследствие загрязнения и других эксплуатационных причин и учитывающих расход газа через АВО, была проведена работа по сбору фактического материала и построены лучевые характеристики для секций АВO типа 2АВГ-75.
В основу построения «лучевых» характеристик АВO положено выражение для тепловой мощности аппарата, полученного из уравнения теплового баланса теплообменного аппарата и основного уравнения теплопередачи.
Сопоставление действительных и паспортных характеристик АВО типа 2АВГ-75 для режима работы аппарата с двумя включенными вентиляторами показывает, что характеристики эти отличаются, это свидетельствует о различной интенсивности процессов теплопередачи при одинаковых температурных напорах (максимальной разности температур между природным газом и окружающей средой) и одном и том же значении массового расхода газа через аппарат воздушного охлаждения газа (рис. 2.13,2.14).
В частности, сопоставление результатов использования действительных и паспортных характеристик АВО типа 2АВГ-75 для режима работы аппарата с двумя включенными вентиляторами показал, что при массовом расходе природного газа через АВО равном GABO = 30 кг/с и температурном напоре At = tlABO a =20 С по паспортным характеристикам газ должен охлаждаться в аппарате на t1AB0 2AB0 = 15С, а в действительности его температура снижается на t1AB0 - t2AB0 = 13,5С. Таким образом, относительная ошибка при определении снижения температуры природного газа в АВO, так и тепловой мощности аппаратов при использовании паспортных характеристик составляет порядка 10%.
Отличие фактического коэффициенты теплопередачи k от паспортного определяется следующими причинами:
- загрязнением теплообменных труб и увеличением термического сопротивления теплопередаче;
- изменением в процессе эксплуатации силы и направления ветра, влияющего на внешний коэффициент теплоотдачи [24];
- неравномерность теплоотдачи с поверхности теплового съема;
- провисанием и деформацией теплообменных труб и т.д.
Для построения действительных теплотехнических характеристик АВO была создана программа на основе программного обеспечения Microsoft Excel. С помощью нее были построены «лучевые» характеристики АВO типа 2АВГ-75 для работы всех вентиляторов, для работы одного вентилятора, в случае работы аппарата с выключенными вентиляторами. После чего на характеристики были нанесены опытные данные и определены коэффициенты теплопередачи для режимов работы АВО (рис. 2.15, 2.16, 2.17).
Также следует отметить, что паспортная характеристика АВО типа 2АВГ-75 рассчитана на работу при температурных напорах до At = tj a= 90 С, массовом расходе газа не превышающим GAB0 = 100 кг/с и максимальной тепловой мощности при этом QAB0 = 10 МВт. Номинальные значения теплоэнергетических показателей АВO газа типа 2АВГ-75 согласно табл. 2.1 [81] равны температурный напор At = t,ABOa=45C, массовый расход газа GAB0 = 55,6 кг/с и максимальная тепловая мощность при этом QAB0 = 4,39 МВт. Таким образом, паспортная номограмма режимов работы АВО отличается более чем в два раза от номинальных значений данного аппарата. Фактический тепловой съем для режимов работы исследуемой КС, не более QABO =1,6 МВт, что почти в три раза меньше номинальных значений АВО типа 2АВГ-75. Это говорит о том, что АВО на исследуемой КС недогружен и работает, не достигая номинальных режимов.
Таким образом, анализ промышленных данных выявил недостаточную эффективность охлаждения газа в АВО не только по причине загрязнения теплообменных труб, но и нестабильности процессов теплообмена, а также с пониженной интенсивностью теплопередачи вследствие тепловой недогрузки АВO.
Как показывает анализ работы систем охлаждения КС, входящих в рассматриваемый технологический участок МГ, во многих случаях системы охлаждения КС имеют возможность снизить температуру природного газа на входе в ЛУ МГ. При этом возникает задача определения оптимального значения температуры природного газа на выходе из КС при различных режимах ее работы и температурах окружающей среды с учетом стоимости электрической энергии на компрессорных станциях при централизованных поставках.
Оценка эффективности работы вентиляторов АВО различных модификаций
С целью улучшения характеристик рабочего колеса вентилятора устанавливаются композитные рабочие колеса, специально спроектированные под различные типы АВО газа на КС МГ.
Одним из самых распространенных АВО газа, установленных на объектах ЕСГ является аппарат типа 2АВГ-75 (табл. 3.5). В этих аппаратах в настоящее время используются металлические рабочие колеса вентиляторов типа Т-50-4 «Торнадо» или УК-2М.
Для повышения эффективности работы АВO газа типа 2АВГ-75 для них разработаны новые композитные рабочие колеса - ГАЦ-50-4М2 (табл. 3.6). В этих рабочих колесах используется аэродинамический профиль с высокими характеристиками, имеющий существенно переменные ширину и крутку по длине лопастей. Такой формы позволило добиться использование стеклопластиковой технологии при изготовлении лопастей [80].
С целью определения эффективности работы вентиляторов нового поколения ГАЦ-50-4М2, выполненных из композитных материалов, было проведено экспериментальное исследование. В качестве объектов исследования были выбраны два АВО газа типа 2АВГ-75, на одном из которых установлены два вентилятора ГАЦ-50-4М2 (№ 1, 2), а на другом АВO - два вентилятора Т-50-4 «Торнадо» (№ 3, 4) (рис. 3.2).
До проведения эксперимента на каждом вентиляторе были проверены углы установки лопастей относительно плоскости вращения вентиляторов. Они соответствовали номинальным параметрам на ГАЦ-50-4М2 это 77 , а на Т-50-4 «Торнадо» это 11 [11,80]. Также были проверены зазоры между диффузорами и лопастями вентиляторов. Кроме этого была произведена парово-доструйная очистка наружной поверхности труб теплообменных секций АВO.
Температура газа на входе и выходе аппаратов воздушного охлаждения газа измерялась хромель-копелевыми термопарами, установленными в карманах входного и выходного патрубков АВO. Остальные характеристики, необходимые для исследования: температура окружающего воздуха, давление газа в АВO, расход технологического газа через АВO определялись с помощью штатных приборов, установленных в цеховых системах управления компрессорной станции. Следует отметить, что объектами исследования являются два соседних АВO, что предопределяет минимальное различие в расходе технологического газа через рассматриваемые аппараты (рис. 3.2).
Экспериментальное исследование по оценке эффективности работы вентиляторов различных типов проводилось на обоих АВО параллельно. На каждом АВO было произведено экспериментальное исследование на четырех режимах (табл. 3.7):
оба вентилятора АВО выключены - теплоотдача от наружной поверхности труб теплообменных секций АВO к окружающему воздуху при свободной конвекции;
включены оба вентилятора;
включен только первый по ходу движения газа вентилятор АВО;
включен только второй по ходу движения газа вентилятор АВО.
В качестве критерия, определяющего эффективность работы вентиляторов, предлагается использовать тепловую мощность АВO.
Значение средней изобарной теплоемкости природного газа в системе охлаждения СРТ определялось по соотношению, полученному в результате обработки экспериментальных данных по определению термодинамических свойств природного газа различного состава, в зависимости от температуры и давления газа, а также молярной концентрации метана в природном газе c = f(t,p,rCH4) [40].
Результаты исследования показали, что при отключенных вентиляторах обследуемые АВО, имеют одинаковые значения тепловой мощности, что подтверждает одинаковое техническое состоянии трубных пучков аппаратов, оснащенных вентиляторами различных типов (табл. 3.7). Это является обязательным условием для получения корректных результатов по оценке эффективности работы вентиляторов нового поколения.
При включении первых по ходу газа вентиляторов № 1 и № 3 тепловая мощность обоих АВO возрастает более чем в 4 раза. Однако, на рассматриваемом режиме тепловая мощность АВO № 1, оснащенного вентиляторами ГАЦ-50-4М2, приблизительно на 7 % выше значения тепловой мощности АВО № 2, оснащенного вентиляторами Т-50-4 «Торнадо» (табл. 3.7). Это говорит о более высокой эффективности рабочих колес вентиляторов нового поколения ГАЦ-50-4М2 производства ЗАО «Гидроаэроцентр» по сравнению со старыми металлическими рабочими колесами вентиляторов Т-50-4 «Торнадо» при данном режиме работы АВO.
Переход АВО с режима работы с одним включенным на режим работы с двумя включенными вентиляторами позволяет повысить тепловую мощность аппаратов лишь на 76 % до 79 % , но и в этом режиме тепловая мощность АВO № 1, оснащенного вентиляторами ГАЦ-50-4М2, приблизительно на 9 - 11 % выше значения тепловой мощности АВO № 2, оснащенного вентиляторами Т-50-4 «Торнадо», что также подтверждает более высокую эффективность вентиляторов нового поколения (табл. 3.7).
Исследование эффективности работы вентиляторов на четвертом режиме, когда в АВO включены только вторые по ходу газа вентиляторы № 2 и № 4, показало, что АВО № 1, оснащенный вентиляторами ГАЦ-50-4М2, имеет тепловую мощность более чем на 10 % выше, чем АВO № 2, оснащенный стандартными вентиляторами.
Еще один сравнительный эксперимент был произведен на одной из действующих КС с установленными секциями АВO газа типа АВЗ-Ж-14,6-64-Б1-ВЗТ/8-1-6 в количестве 6 шт., изготовленными в 1976 году в г. Таллине (рис. 3.3, 3.4).
Аппарат состоит из шести зигзагообразно расположенных теплообменных секций прямоугольной формы (рис. 3.5). Теплообменные секции собраны из поперечно оребренных труб, длиной 6 м, закрепленных вальцовкой в трубных решетках разъемных камер, состоящих в свою очередь, из трубной решетки (трубной доски) и литой крышки, соединенных между собой посредством фланцевого разъема. Коэффициент оребрения труб 14,6. Отличительной особенностью аппаратов АВЗ является расположение трубных секций в форме «зигзага» с острым углом между секциями. Такое расположение секций уменьшает площадь, занимаемую аппаратом.
Секции имеют фиксацию на опорной металлоконструкции только с одной стороны, что обеспечивает свободное тепловое расширение элементов секций при нагревании.
Каждая крышка секций со стороны входа имеет 2 фланца, со стороны выхода по 1 фланцу, предназначенные соответственно для подвода или отвода рабочей среды (газа). Секции смонтированы на опорной металлоконструкции. Под секциями каждого АВО газа закреплены диффузоры с коллекторами вентилятора, через которые осуществляются принудительный обдув трубных пучков атмосферным воздухом.
На пяти секциях (№ 1, 3, 4, 5, 6) установлены штатные колеса вентиляторов УК-2М диаметром 5000 мм и числом лопастей равным 4 шт., а на секции № 2 экспериментальная крыльчатка ГАЦ-50-6М2. Колеса вентиляторов секций №1-4 приводятся в движение тихоходным электрическим двигателем мощностью 90 кВт, у секций №5, 6-37 кВт.
