Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитическое исследование процесса обеспечения оптимальных технологических параметров газообразного топлива 7
1.1. Исследование основных технологических характеристик газообразного топлива 7
1.1.1. Анализ физико-химических свойств компонентов природного газа 8
1.1.2. Оценка влияния влагосодержания газа на показатели работы газовых агрегатов 9
1.1.3. Исследование метанового числа газообразного топлива 11
1.2. Исследование технологий дополнительной подготовки газообразного топлива із
1.2.1. Исследование технологий осушки газа 13
1.2.2, Анализ методов регулирования метанового числа 17
1.3. Основы теории моделирования процесса вихревой обработки газа 18
1.3.1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований вихревого эффекта 18
1.3.2. Обоснование выбора методики определения термодинамических свойств реального газа
1.3.3 Термодинамический анализ процесса расширения газа 40
1.3.4. Исследование термо- и аэродинамических особенностей процесса расширения в вихревом
аппарате 42
Выводы. Цель и задачи исследований 49
2. Совершенствование математического описания процесса вихревой обработки природного газа 50
2.1. Совершенствование термодинамической модели процесса вихревого расширения 50
2.2. Совершенствование математического описания аэродинамических характеристик потоков в вихревой зоне 62
2.3. Учет влияния процесса конденсации на результирующие параметры процесса вихревой обработки 65 Выводы 69
3. Экспериментальные исследования процесса вихревой обработки природного газа 71
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований 71
3.2. Исследование процесса вихревой обработки природного газа 73
3.3. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований 75 Выводы 77
4. Практическая реализация результатов теоретических исследований 78
4.1. Разработка методики проектирования систем вихревой обработки газообразного топлива 78
4.2. Реализация методики проектирования систем вихревой обработки газа 79
4.2.1. Реализация методики проектирования для условий цеха гидрогенизации ЗАО "Рабочий" 79
4.2.2. Реализация методики проектирования для условий ГНП филиала "Егорлыкрайгаз" 80
4.2.3. Разработка рекомендаций по повышению эффективности работы вихревых осушителей газа 82
Заключение 87
Литература
- Оценка влияния влагосодержания газа на показатели работы газовых агрегатов
- Совершенствование математического описания аэродинамических характеристик потоков в вихревой зоне
- Исследование процесса вихревой обработки природного газа
- Реализация методики проектирования для условий цеха гидрогенизации ЗАО "Рабочий"
Оценка влияния влагосодержания газа на показатели работы газовых агрегатов
Осушка предполагает выделение воды из газа или жидкости для предотвращения образования водяного конденсата в системе. Необходимая степень осушки газа выражается либо через требуемую депрессию точки росы, либо через требуемое снижение содержания влаги в единице объема газа. На основании этих данных определяется количество влаги, которое необходимо отделить от газа, и производится выбор метода осушки.
Технологии выделения паров воды из влажного газа базируются на одном из трех процессов: - абсорбция (применение жидких поглотителей); - адсорбция (применение твердых поглотителей); - конденсация (охлаждение с инжекцией жидких ингибиторов). Для абсорбционной осушки в принципе подходит любой жидкий раствор, парциальное давление водяных паров над которым всегда меньше соответствующего давления насыщения чистой воды [63]. В качестве подобных веществ используются, в частности, галогениды лития и кальция (LiCl, LiBr, СаС12). Подобные технологии осушки, помимо таких достоинств, как невысокая стоимость и простота, обладают рядом существенных недостатков. В частности, при использовании хлорида кальция в процессе контакта раствора с газом образуются вещества с очень высокой коррозионной активностью. Достигаемая при этом депрессия точки росы не превышает 1(Ы2С. Применение галогенидов лития позволяет достичь депрессии точки росы до 30С, к тому же химические свойства этих соединений обусловливают низкую коррозионную активность раствора. Литиевые методы находят применение при осушке импульсного воздуха в пневматических системах управления. Однако в практике газоснабжения подобные технологии в настоящее время практически не применяются [7, 8, 30, 31].
В качестве жидких абсорбентов наиболее часто используют вещества, обладающие высокой гигроскопичностью: диэтиленгликоль (ДЭГ) или триэтиленгликоль (ТЭГ). В некоторых случаях применяют также тетраэтиленгликоль (ТРЭГ) и прогшленгликоль (ПГ). Расход абсорбента зависит от применяемой технологии осушки, а также давления и расхода газа, и находится в пределах 2-йО г/м3 осушаемого газа. Абсорбирующий агент представляет собой смесь гликоля и воды. Концентрация гликоля должна быть не ниже 95% масс; зачастую (во многих установках при давлении газа менее 5 МПа) нижний предел составляет 98,5% масс. [7, 8, 9,113,148]
Твердые адсорбенты (силикагель, алюгель, цеолит и т.п.) используют в случае высокой требуемой депрессии точки росы. Данные вещества обладают развитой адсорбирующей поверхностью (600-f 1000 м2/г) и способны независимо от температуры поглотить до 30% влаги, содержащейся в газе [8]. Твердые сорбенты наиболее часто применяют для осушки импульсного газа на компрессорных станциях, когда требуемая точка росы импульсного газа составляет -50С [30, 93, 157]. В обычных схемах осушки твердые сорбенты практически не используются по причине высоких энергетических затрат [7,9].
Конденсация обычно применяется для предотвращения гидратообразования в процессе транспортировки газа. В качестве ингибиторов используют этиленгликоль (ЭГ), метанол, соляровое масло и другие реагенты. Охлаждение газа, необходимое для осуществления конденсации водяных паров, организуется либо при помощи внешней холодильной установки, либо в процессе расширения с использованием эффекта Джоуля-Томсона.
Общеприменимым методом регенерации является выделение воды из гликоля в колонных десорберах при температурах 16(Ы90С и выше. Увеличение температуры процесса регенерации является весьма действенным методом повышения его эффективности. Однако при температурах, больших 170С, начинается термическое разложение гликоля, что ведет к увеличению его общего расхода в цикле регенерации, загрязнению воздушной среды продуктами сгорания гликоля при сжигании отдувочного газа и многим другим негативным последствиям.
Одними из современных регенерационных устройств являются роторные центробежные аппараты [113], которые создают развитую и постоянно обновляемую поверхность массопередачи и обеспечивают активное взаимодействие фаз,
Проведенный анализ показывает, что используемые в настоящее время схемы осушки газа обладают рядом существенных недостатков, таких, как высокие энергозатраты в цикле регенерации абсорбента, высокий расход и связанный с этим относительный уровень потерь абсорбирующего агента, значительная металлоемкость, большие площади, занимаемые установкой, значительное загрязнение воздуха рабочих зон и приземного слоя атмосферы продуктами сгорания отдувочного газа. Также следует отметить, что большинство установок эксплуатируются более 25 лет без внесения существенных изменений в производственный цикл, в частности, в области модернизации систем безопасности и наблюдения. В связи с этим поддержание необходимых параметров процесса требует круглосуточного контроля со стороны обслуживающего персонала. Это приводит к увеличению времени пребывания работников в рабочей зоне вблизи установки, то есть в области действия опасных и вредных производственных факторов.
В течение последних лет немецкая фирма ФИЛТАН (FILTAN, Filter-Anlagenbau GmbH) занимается производством вихревых аппаратов для систем газоснабжения. Исследованию эффективности и экономичности данной технологии посвящено большое число теоретических исследований, проводится ее активное внедрение на объектах газовой промышленности [16, 23, 28, 43, 78, 103, 116, 141, 144, 160]. В Российской Федерации применение вихревых технологий в системах газоснабжения носит единичный характер [116,144].
Совершенствование математического описания аэродинамических характеристик потоков в вихревой зоне
Таким образом, величина AsT В уравнении (2.29) всегда отрицательна и описывает уменьшение энтропии системы, связанное с образованием двух потоков газа с различными температурами. Данное слагаемое становится равным нулю при смешении горячего и холодного потоков.
В связи с этим прирост энтропии в результате вихревого расширения минимален при условии максимально выраженного эффекта температурного разделения.
Также необходимо отметить, что в соплах вихревого аппарата может происходить только критическое расширение газа (до звуковой скорости), но не сверхкритическое, на что указывают практически все имеющиеся исследования вихревого эффекта. Объясняется это сложной формой выходного сечения сопла, не позволяющей потоку газа расширяться до сверхкритических скоростей. В связи с этим процесс вихревого расширения может происходить только до определенного давления (давления Лаваля р). В случае эксплуатации вихревой трубы при более значительном перепаде давлений используют дроссель-вентиль, подключаемый до (или после) трубы и обеспечивающий необходимое дополнительное снижение давления.
С учетом сделанных выше замечаний процесс в вихревом аппарате выглядит следующим образом (рисунок 2.3).
На рисунке 2.3 показан случай, когда первичное расширение газа происходит в вихревой трубе, а вторичное - в подключенном за трубой дросселе.
Исходный газ расширяется во входных соплах трубы практически изоэнтропно до давления Лаваля (0-»L). Необратимость данного процесса связана с диссипацией определенного количества энергии потока (L—»Sep); данный процесс характеризуется приростом энтропии Asis$ i и работой диссипации wDisSii. Располагаемая работа потока газа в конце данного процесса wtyx выше, чем работа wsejb затраченная на энергетическое разделение потока, на величину работы диссипации WD/AS,I- В дальнейшем происходит изобарная сепарация исходного потока на два течения, процессы (Sep—»с) и (Sep— h). Параметры смеси частичных потоков соответствуют параметрам газа после изоэнтальпийного дросселирования (2L).
Прирост энтропии в процессе расширения газа (О—»2L) характеризуется величиной Asp,x. Вторичному расширению газа в вентиле (2L-»2) соответствуют прирост энтропии AsPi2 и располагаемая работа wt,2, равная в данном случае работе диссипации.
Для вычисления описанных выше энергетических характеристик процесса (работы и энтропии) необходимо определить значения давления pi и температуры Ті,. В случае идеального газа данные параметры описываются известными уравнениями:
Рассмотрению процесса истечения реальных газов посвящена, в частности, работа [59]. Численные исследования, проведенные в [59] для природного газа при давлении 80 атм, показывают, что значения критического отношения давлений, рассчитанные по уравнению (2.32) и реальногазовой формуле, отличаются не более чем на 0,1%. При сравнительном расчете температур были получены расхождения, не превышающие 1%. Также указывается, что значение показателя изоэнтропы может быть рассчитано по формуле для идеального газа и использоваться в дальнейших расчетах в усредненном виде; ошибка при этом составляет 1- 2%. В связи с этим далее для определения критического давления и температуры будут использоваться формулы (2.32) и (2.33). При известных параметрах точки (L) значение располагаемой работы газа wtt\ после изоэнтропного расширения до критического давления запишется как
Далее необходимо определить параметры точки Sep, соответствующей началу процесса сепарации. Данная точка соответствует параметрам газа после изоэнтропного критического расширения газа, сопровождающегося диссипацией некоторого количества располагаемой работы WDiss,U КОТОрОЙ СООТВеТСТВуеТ прирОСТ ЭНТРОПИИ AsDiss.1 Из термодинамики известно, что энтропия в процессе смешения возрастает. Это связано с тем, что система в результате подобного процесса приходит в состояние равновесия, характеризующееся максимальным значением энтропии. Прирост энтропии при смешивании идеальных газов описывается формулой [39]: соответственно массовые доли, удельные газовые постоянные и молярные массы компонентов А и В; мш - молярная масса смешанного потока.
Обратный процесс (разделение газа на два потока А и В с различными свойствами) характеризуется таким же численным значением изменения энтропии. Данная разность энтропии будет иметь противоположный знак, так как упорядоченность системы в результате процесса сепарации возрастает, что обусловливает уменьшение энтропии.
Применительно к процессу вихревой сепарации и с учетом того, что газовые постоянные и молярные массы частичных потоков и смеси в целом равны между собой, получим: Л л,м =Д или в безразмерной форме:
В случае идеального газа активность заменяется мольной долей, и изменение энтропии смешения описывается формулой (2.37).
Многими авторами [13, 30, 39, 54, 58, 59, 142] (зачастую на примере конкретного расчета) показывается, что принятие в инженерной практике определенных допущений (например, рассмотрение смеси газов как идеальной) позволяет получить результат удовлетворительной точности. Полноценный учет реальных свойств смеси необходим при рассмотрении многокомпонентных систем "пар-жидкость" при расчете конденсационно-испарительного равновесия. Для расчета процесса вихревого расширения смеси газов, основным компонентом которой является метан, формула (2.39) представляется достаточно точной. В связи с этим дальнейший анализ проводим, предполагая применимость этой формулы для расчета изменения энтропии в процессе разделения исходного потока на два течения.
Проведенный в [43] формальный анализ указывает на тот факт, что изменение энтропии в процессе температурного разделения (равное разности энтропии частичных потоков, рисунок 2.3) соответствует перепаду энтропии между точками Sep и 2L. Оба этих изменения энтропии связаны с теоретическим приростом энтропии в процессе сепарации W , который описывается
Исследование процесса вихревой обработки природного газа
Газ на входе в вихревую трубу имеет температуру, соответствующую (с учетом некоторых потерь за счет трения в сопле) температуре после изоэнтропного расширения от начального до конечного давления. Значения этой температуры могут достигать -50С и ниже. Данное понижение температуры способствует конденсации некоторых компонентов газовой смеси. В связи с этим газовый поток в сопловом сечении трубы содержит капельки конденсата. Практически при любых реальных условиях в состав конденсата будет входить вода, на что указывают графики на рисунках 2.6 и 2.7.
Максимальное количество конденсата образуется, таким образом, в сопловом сечении сепаратора по причине наиболее низкой температуры газа. Однако некоторыми исследователями [16, 23, 116, 141] указывается на тот факт, что интенсивное выпадение конденсата происходит также вблизи регулировочного вентиля трубы.
На взгляд автора, это связано главным образом с тем, что регулировочный вентиль работает в данном случае по принципу каплеуловителя, увеличивая интенсивность процесса коалесценции капель конденсата за счет торможения потока при образовании возвратного течения.
Значительные скорости потока и вихревой характер течения обусловливают высокие значения центробежных сил, действующих на частицы газа и капли конденсата. По этой причине в вихревом поле конденсат отделяется от газа вследствие разности плотностей и скапливается в пристеночной области; при этом появляется возможность его отвода из сепаратора через предусмотренные отверстия. Холодный поток конденсата практически не содержит.
Таким образом, в вихревом сепараторе происходит разделение исходного потока газа на три течения: - горячий поток с повышенным содержанием конденсата; - холодный поток, практически свободный от жидкости; конденсат с некоторым количеством газа. Горячий поток и конденсат направляются в разделитель, где происходит более полноценное отделение капель конденсата от газа. Как правило [30, 31, 63] принцип действия подобных разделителей основан на использовании центробежных сил, гравитационного осаждения и процесса коалесценции.
Освобожденный от жидкости горячий поток смешивается далее с холодным потоком и направляется в последующие технологические агрегаты либо в сеть потребителя.
Термодинамический баланс процесса в вихревом сепараторе будет, очевидно, отличаться от процесса вихревого динамического дросселирования, происходящего без конденсации.
В качестве главного отличия необходимо выделить следующее. В виду того, что конденсат выводится из системы и далее в балансе не участвует, параметры смеси частичных потоков газа не соответствуют параметрам газа после дросселирования без конденсации; другими словами, процесс в вихревой сепарационной установке не является изоэнтальпийным. Разность начальной энтальпии газа и суммарной энтальпия смеси горячего и холодного потоков будет отличаться от нуля на величину, определяемую, в первую очередь, значением энтальпии парообразования сконденсировавшихся компонентов.
По мере движения к регулировочному вентилю конденсат, находясь преимущественно в потоке горячего газа, частично испаряется вследствие повышенной температуры потока. Это ведет к некоторому снижению температуры горячего течения. Однако, как показывают, в частности, исследования [116, 141], количество испарившегося конденсата в горячем потоке сравнительно невелико, и практически весь конденсат находится в горячем течении в жидкой фазе.
Содержащийся в газе этилмеркаптан будет конденсироваться в такой же степени, как и пентан в виду практически идентичных значений давления насьпценных паров во всем интервале температур (рисунок 2.6). Данный факт необходимо учитывать при проектировании вихревых сепарационных установок, так как содержание одоранта (этилмеркаптана) в газе жестко регламентируется нормативными документами.
В конечном итоге необходимо отметить, что использование особенностей вихревого эффекта позволяет существенно повысить эффективность процессов тепло- и массообмена, которые широко применяются в практике газоснабжения, главным образом - при подготовке газообразного топлива. К достоинствам вихревых аппаратов следует также отнести простоту устройства, удобство обслуживания и отсутствие энергозатрат.
В связи с этим применение вихревых аппаратов в технологических схемах подготовки газообразного топлива представляется наиболее рациональным решением, как с позиций энергосбережения, так и с точки зрения безопасности технологических процессов. Целью экспериментов являлась практическая проверка результатов теоретических исследований, в ходе которых на основе учета свойств реального газа была усовершенствована идеальногазовая математическая модель процесса вихревого расширения.
Экспериментальные исследования проводились автором в лабораторных условиях (лаборатория газовой техники Высшей инженерной школы г. Эрфурта, ФРГ) а также в условиях действующего производства (вихревой осушитель газа на ПХГ фирмы Тиссенгаз, г. Эпе, ФРГ).
В первом случае в качестве рабочего тела использовался осушенный воздух давлением до 2 ати. При таких условиях свойства газа практически не отклоняются от идеальных, что и было подтверждено экспериментами. В настоящей работе данные лабораторных экспериментов не приводятся в связи с несоответствием условий лабораторных опытов цели экспериментальных исследований.
Реализация методики проектирования для условий цеха гидрогенизации ЗАО "Рабочий"
Усовершенствованный метод термодинамического расчета процесса вихревого расширения позволил разработать методику проектирования систем подготовки топливного газа с использованием вихревых сепарационных устройств. Целью методики является выбор и расчет вихревых аппаратов для регулирования влажности газа, содержания механических примесей и метана. Блок-схема методики проектирования приведена в приложении Г.
Основные этапы методики:
Анализ исходных данных, включающих располагаемые и требуемые значения параметров газа (влажность, содержание балластных примесей и метана) и физико-химические свойства компонентов газовой смеси (молярная масса, плотность, критические давление, объем и температура)
Полученные расчетные данные указывают, что в состав конденсата при определенных условиях (температуре, давлении) входит этилмеркаптан, содержание которого в газе регламентируется нормами. В связи с этим на третьем этапе определяется диапазон допустимых температур и давлений процесса и обоснуется необходимость предварительного подогрева либо предварительного снижения давления газа.
Расчет тепловых характеристик и построение поля температур процесса производится по усовершенствованному методу. Геометрические характеристики аппарата определяются на основе комплексного параметра аэродинамической модели процесса - числа Россби и уравнений состояния идеального газа. Последовательность теплового расчета и основные зависимости расчетной методики приведены в рабочих листах программы MathCAD (приложение Д). 4.2 Реализация методики проектирования систем вихревой обработки газа
Природный газ используется масложировым комбинатом "Рабочий" для получения тепловой энергии и в технологическом цикле как сырье для производства водорода.
Проведенный анализ показал, что газообразное топливо, поступающее на предприятие, характеризуется повышенным содержанием механических примесей (0,894-1,12 мг/м) и меркаптановой серы (334-38 мг/м3). Также выявлено, что в газовой сети после ГРП имеет место образование небольшого количества конденсата, улавливаемого в конденсатосборнике.
Теплогенерирующие установки, используемые на предприятии, работают в целом удовлетворительно, несмотря на достаточно низкое качество газа. Однако для условий участка производства водорода цеха гидрогенизации качество газа является неудовлетворительным, в связи с чем организуется его дополнительная подготовка.
Главным этапом подготовки газа перед подачей в технологическую установку является очистка от серосодержащих примесей, организуемая в колонном контакторе с последующей регенерацией реагента. Эффективность системы очистки составляет бО-т-65 %, при этом дальнейшее повышение эффективности практически невозможно. В связи с этим качество получаемого водорода оказывается недостаточно высоким, что отрицательно сказывается на показателях работы всего технологического цикла.
Для обеспечения требуемого качества газообразного топлива предложена комплексная система вихревой очитки газа от серосодержащих и механических примесей (рисунок 4.1).
Основным преимуществом предложенной установки по сравнению с используемой является тот факт, что процесс контакта газа с реагентом осуществляется в вихревом потоке газа. Это обусловливает существенное повышение эффективности очистки газа от серосодержащих примесей и от взвешенных твердых частиц (соответственно на 35 и 15 %).
Предложенная схема включена в проект реконструкции системы газоснабжения цеха гидрогенизации. В настоящее время прорабатывается технико-экономическое обоснование проекта. Также рассматривается вопрос о создании опытной вихревой установки на базе предприятия, что позволит провести необходимые испытания и определить реальный экономический эффект от внедрения результатов исследований.
Реализация методики проектирования для условий ГНП филиала "Егорлыкрайгаз" На газонаполнительном пункте филиала "Егорлыкрайгаз" ОАО "Ростовоблгаз" природный газ используется для получения тепловой энергии в теплогенераторе ТГ-Ф-350.
Требуемое значение метанового числа топливного газа для данного аппарата не определено, и регулирование компонентного состава газа перед подачей в теплогенератор не производится. Номинальный режим работы установки поддерживается за счет регулирования соотношения "воздух-топливо". Однако, как показывают наблюдения обслуживающего персонала ГНП и контролирующих организаций, используемый метод не позволяет решить поставленной задачи. При эксплуатации теплогенератора наблюдаются различные негативные явления, в частности такие, как колебания мощности, а также превышение допустимых уровней шума [149] и ПДК оксида углерода [96,97] в зоне обслуживания установки (таблица 4.1).
С целью обеспечения номинального режима работы теплогенератора предложено регулировать метановое число газа, для чего в проект реконструкции системы теплоснабжения ГНП включен расчет вихревой сепарационной установки.
В результате реализации методики предложены следующие геометрические характеристики вихревого аппарата: диаметр: 100 мм; общая длина: 3220 мм; диаметр диафрагмы: 50 мм; размеры сопла (двухсошювой ввод): 13x7 мм. При определении параметров остальных элементов установки ориентировались на типовые проектные решения фирм FILTAN GmbH и Bronswerk Heat Transfer В. V. Двухфазный сепаратор: диаметр: 650 мм; высота: 4250 мм. Подогреватель (U-образный, "труба в трубе"): диаметр внешней трубы: 300 мм; длина: 3120 мм. Подогреватель предложено установить непосредственно перед теплогенератором для использования уходящих газов в качестве теплоносителя. Необходимость подогрева газа зависит прежде всего от перепада давлений в вихревом аппарате и начальной температуры газа. Расчет показывает, что при начальной температуре газа J/„ 21,5 С подогрев газа не требуется. Таблица 4.1 Характеристики технологического агрегата ка рекомендаций по повышению эффективности работы вихревых осушителей газа
Вихревая установка исследовалась по заданию фирмы Thyssengas GmbH, г. Дуйсбург, ФРГ. По результатам проведенных исследований разработан научный отчет, посвященный выработке рекомендаций по повышению эффективности работы вихревых осушителей газа. Анализ полученных данных лег в основу экспериментальной части настоящей работы, в связи с чем автор искренне благодарит работников фирмы Тиссенгаз Ю. Грённера и Г. Вёстманна за организацию доступа к базе данных контрольной системы ГОСТ г. Эпе.
