Содержание к диссертации
Введение
1. Функции и конструкции аппаратов воздушного охлаждения сырого газа в системе его подготовки к дальнему транспорту 16
1.1. Современное состояние системы охлаждения сырого газа при его подготовки к дальнему транспорту 16
1.2. Отличительные особенности режима эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения в различные периоды жизни месторождений 36
1.3. Основные результаты исследований работы АВО сырого газа 46
1.4. Исходные требования на разработку АВО сырого газа для эксплуатации в условиях Крайнего Севера 76
1.5. Основные направления совершенствования процесса охлаждения сырого газа 87
2 Рециркуляционные и расходные характеристики аппарата воздушного охлаждения газа с внешней рециркуляцией воздуха 107
2.1.Физическая модель и общая математическая постановка задачи 112
2.2. Исследование влияния основных параметров регулирующих органов на характеристики рециркуляционного регулирования 118
2.3.Характеристики рециркуляционного регулирования при совместной работе вентиляторов и воздушной сети 127
2.4. Совместная работа вентиляторов и воздушной сети в предельных случаях регулирования (Gp/Gx= 0 и Gp/Gx= 1) 132
2.5. Совместная работа вентиляторов и воздушной сети в режимах жалюзийного регулирования 136
3 Работа опытного образца АВО газа с учетом сопряжения тепловых процессов с механическим жалюзийным регулированием и совместной работы воздушной сети вентиляторов 149
3.1.Предварительные замечания 149
3.2. Двухжалюзийное синхронное регулирование (применительно к опытному образцу ABO газа) 155
З.З.Температурно-расходные характеристики в режимах синхронного двухжалюзийного регулирования 162
3.4.Трехжалюзийное синхронное регулирование 176
3.5. Характеристики АВО газа, обеспечивающие неизменную подачу вентиляторов в процессе нелинейного жалюзийного регулирования 192
4. Внутренние тепловые характеристики АВО газа в режимах рециркуляционного регулирования в условиях неоднородных продольных полей входных температур и расхода воздуха 198
4.1. Аналитическое решение задачи о влиянии неоднородности полей входной температуры и расхода воздуха на внутренние тепловые параметры аппарата 198
4.2. Алгоритм программы теплового расчета АВО газа с рециркуляцией воздуха в условиях трехжалюзийного синхронного регулирования с учетом неоднородности продольного поля входной температуры воздуха 209
4.3. Постановка задачи «численного эксперимента» по исследованию влияния режимных параметров на внутренние параметры аппарата в условиях рециркуляционного регулирования 215
4.4. Результаты «численного эксперимента» и их анализ 218
4.5. Альтернативные методы снижения негативного влияния рециркуляции воздуха на тепловые параметры аппарата 245
5. Результаты испытаний опытного образца АВО газа с внешней рециркуляцией воздуха 269
5.1. Постановка задач испытаний по "программе-минумум" 269
5.2. Результаты испытаний в летний период эксплуатации 272
5.3.Результаты испытаний в осенне-зимний периоды эксплуатации 287
5.4. Расходные и рециркуляционные характеристики 302
5.5. Задачи дальнейших испытаний 329
5.6. Анализ и организация двухступенчатого охлаждения газа в режимах автоматического регулирования (практические рекомендации) 330
Основные результаты и выводы 355
Основные разработанные методики 358
Литература
- Современное состояние системы охлаждения сырого газа при его подготовки к дальнему транспорту
- Исследование влияния основных параметров регулирующих органов на характеристики рециркуляционного регулирования
- Двухжалюзийное синхронное регулирование (применительно к опытному образцу ABO газа)
- Аналитическое решение задачи о влиянии неоднородности полей входной температуры и расхода воздуха на внутренние тепловые параметры аппарата
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время основным газодобывающим регионом России является север Тюменской области. Крупнейшие газовые месторождения региона вступили в компрессорный период эксплуатации. Охлаждение природного (сырого) скомпримированного газа в серийных АВО открытого типа при низких температурах окружающего воздуха приводит к образованию гидратов и выходу из строя нижних рядов теплообменных трубок или вынужденному повышению температуры на выходе аппарата, что снижает эффективность процессов промысловой подготовки газа.
Теоретические и методологические проблемы охлаждения сырого газа в АВО, в т.ч. при низких температурах воздуха, недостаточно отражены в опубликованных работах. Это касается как самой конструкции АВО и их температурно-расходных характеристик, так и проблем регулирования:
- отсутствует принципиальная концепция эксплуатации парка АВО в зимних, летних и экстремальных условиях;
- отсутствует принципиальная концепция регулирования АВО;
- отсутствует концепция оптимизации режимных параметров АВО, требуемого количества аппаратов и их компоновки;
- имеющиеся методики тепловых расчетов АВО принципиально не могут быть использованы при ограничениях по минимально допустимой температуре внутренней поверхности труб (для предотвращения льдогидратообразования) и неоднородности полей температуры воздуха на входе вентиляторов (вследствие рециркуляции воздуха).
Особенности работы аппаратов воздушного охлаждения с внешней рециркуляцией воздуха (АВР) заключается в том, что в режимах регулирования АВР тепловые и аэродинамические процессы в общем случае связаны и не могут рассматриваться в отрыве друг от друга. Поэтому АВО предназначенные для охлаждения сырого газа требуют принципиально новых методик исследования, расчета и проектирования.
Представляется актуальным выполнение комплекса работ, включающих:
- создание методической базы для совершенствования техники и технологии промысловых систем охлаждения сырого газа;
- разработку и внедрение новых технологий и технических средств для охлаждения природного газа на промыслах;
- разработку принципов и способов автоматического регулирования процесса охлаждения сырого газа в АВО, обеспечивающих надежную и эффективную эксплуатацию при любых практически реализуемых диапазонах изменения режимных параметров.
Цель работы: Разработать эффективные технологии и технические средства охлаждения сырого газа в системе подготовки его к транспорту.
Задачи исследований:
1. Исследовать процессы охлаждения сырого газа в эксплуатируемых АВО при ограничениях по минимальной допустимой температуре стенки труб.
2. Разработать физическую модель теплоаэродинамических процессов в режимах однопараметрического (по минимальной температуре стенки) рециркуляционного регулирования АВО и ее математическое описание при различных условиях эксплуатации аппаратов.
3. Выявить и экспериментально подтвердить закономерности рециркуляционных, расходных, расходно-рециркуляционных и температурно-расходных характеристик аппаратов воздушного охлаждения с внешней рециркуляцией воздуха (АВР) при жалюзиином регулировании применительно к однородному продольному полю входной температуры воздуха.
4. Определить, условия обеспечивающие минимальное снижение подачи потока воздуха вентиляторами и его неравномерность в процессе рециркуляционного регулирования, влияние неоднородности продольных полей входных температур и расхода воздуха на внутренние параметры АВР.
5. Получение опытных данных по тепловой мощности АВР и по минимальной температуре стенки труб первого ряда применительно к двух- и трехжалюзийному регулированию с целью проверки надежности методик расчета аппаратов.
6. Обосновать технологию двухступенчатого охлаждения сырого газа в АВО обеспечивающую:
И
- минимально допустимую температуру внутренней поверхности стенки теп-лообменной трубки при низких температурах воздуха и заданную температуры газа на выходе при повышенных температурах воздуха;
- необходимый уровень рекуперации по газу при минимальных затратах мощности на прокачку воздуха.
7. Разработать требования к АВО для охлаждения сырого газа в условиях Крайнего Севера и основные направления совершенствования процессов охлаждения сырого газа в аппаратах воздушного охлаждения на газовых промыслах.
Научная новизна
1. Разработана методика тепловых расчетов для однородного поля температуры воздуха при ограничениях по минимальной допустимой температуре внутренней поверхности труб на выходе АВО, которая позволила выявить ранее неизвестные закономерности процессов охлаждения сырого газа при низких температурах воздуха, обосновать и разработать пути совершенствования этих процессов и методы управления ими в широких диапазонах изменения режимных параметров и геометрических факторов.
2. Разработана математическая модель теплоаэродинамических процессов жа-люзийного регулирования АВО с внешней рециркуляцией воздуха, включающей как аэродинамические, так и тепловые характеристики аппарата.
3. Теоретически и экспериментально доказано, что автоматическое управление процессом охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения может быть обеспечено только при синхронном трехжалюзийном регулировании, при котором возможны любые варианты изменения потока воздуха вентиляторами, и установлены условия минимизации неравномерности подачи воздуха.
4. Теоретически обосновано и экспериментально установлено, что неоднородность продольного поля входной температуры воздуха при внешней рециркуляции существенно влияет на тепловые процессы в трубном пучке, при этом тепловая мощность аппарата противоположна градиенту температур поля воздуха, который зависит от способа организации охлаждения газа. Основные защищаемые положения
1. Методика тепловых расчетов АВО при ограничениях температуры стенки труб и выполненный на их основе теоретический анализ влияния режимных и геометрических факторов аппаратов на процессы охлаждения сырого газа.
2. Направления совершенствования процессов охлаждения природного газа в основе которых заложены технико-технологические, конструкторские решения и методы управления этими процессами, позволяющие вывести комплексную подготовку газа к транспорту на этапе предварительного его охлаждения на уровень современных технологий.
3. Принципы и способы автоматического управления процессами охлаждения газа, в основе которых заложено регулирование переменным расходом воздуха и его рециркуляцией, обеспечивающие при любых отклонениях режимных параметров минимальную температуру газа на выходе и надежность эксплуатации АВО путем поддержания неизменной заданной минимальной температуры стенки труб.
4. Математическая модель теплоаэродинамических процессов жалюзийного регулирования АВО с внешней рециркуляцией воздуха. Модель базируется на сопряжении аэродинамических и тепловых характеристик АВО. Тепловые параметры аппарата определяются на основе методик расчета, адекватных различным вариантам эксплуатации АВР.
5. Способы снижения и исключения негативных последствий рециркуляции воздуха и улучшения тепловых характеристик АВР на основе изменения продольного поля входной температуры воздуха.
6. Технология двухступенчатого охлаждения сырого газа, где в качестве первой ступени используется АВО открытого типа с комбинированным регулированием, а второй ступени - аппараты с рециркуляцией воздуха, что обеспечивает максимальное снижение капитальных затрат и существенное упрощение системы регулирования.
Практическая значимость
1. Внедрены новые технологии и технические средства охлаждения сырого га за, в системе его подготовки к транспорту (двухступенчатое охлаждение, АВО с внешней рециркуляцией воздуха), позволяющие сократить капитальные, эксплуатационные затраты на обустройство и эксплуатацию газовых промыслов, а также повысить надежность и экологическую безопасность технологических процессов.
2. На основе созданной математической модели охлаждения сырого газа АВО разработаны методики тепловых, аэродинамических и гидравлических расчетов аппаратов для проектных и конструкторских организаций.
3. Результаты работы положены в основу проектирования аппаратов воздушного охлаждения сырого газа на Вынгаяхинском и Бованенковском месторождениях.
4. Разработано технико-экономическое обоснование предложенных методов повышения эффективности и надежности АВО при работе их в условиях Крайнего Севера.
Апробация работы
Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы комплексного использования низконапорного газа в устойчивом развитии социальной сферы газодобывающих регионов» (г. Надым, 2003 г.); научно-техническая конференция «Обеспечение эффективного функционирования Уренгойского нефтегазодобывающего комплекса» (г. Анапа, 2003 г.); отраслевая научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и новые технологии освоения месторождений углеводородов Ямала XXI века» (п. Ямбург, 2004 г.); IV научно-практическая конференция молодых специалистов и ученых (г. Надым, 2005 г.); заседание секции «Добыча и промысловая подготовка газа и газового конденсата» научно-технического совета ОАО «Газпром» (г. Надым, 2001 г., г. Ноябрьск, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе: 2 монографии, 2 научно-технических обзора, 6 патентов РФ.
Автор искренне признателен научному консультанту О.М. Ермилову за помощь и долголетнее сотрудничество в совместной работе.
Автор выражает глубокую благодарность своему первому научному руководителю д.т.н. [С.А. Ярхо], а также специалистам ЦКБН Б.С. Палей, М.П. Игнатьеву, В.Я. Иванову, оказавшим неоценимую помощь в проведении экспериментальных ис следований.
Автор искренне благодарен за помощь и поддержку А.И. Березнякову, В.К. Голубкину, А.Г. Глухенькому, В.И. Кононову.
Автор выражает благодарность коллегам С.А. Горбатову, В.Г. Мазитову, С.В. Сидорову, А.В. Елистратову за ценные замечания и помощь в подготовке работы.
Современное состояние системы охлаждения сырого газа при его подготовки к дальнему транспорту
В технологическом процессе комплексной подготовки природного газа к транспорту на газовых промыслах важную роль занимают процессы охлаждения газа. Охлаждение газа на газовых промыслах осуществляется: - на этапе предварительной подготовки сырого газа перед УКПГ - охлаждение компримированного газа на ДКС; - на этапе подготовки газа на УКПГ - охлаждение газа в технологическом процессе осушки для обеспечения требуемых режимных параметров; - на конечном этапе подготовки на выходе с газового промысла - охлаждение осушенного газа, перед транспортировкой по межпромысловым коллекторам и газопроводам, для повышения ее пропускной способности, сохранения устойчивости линейной части и повышения ее надежности в зоне пролегания многолетнемерзльтх грунтов.
Необходимость охлаждения сырого газа на ДКС обусловлена следующими факторами: - обеспечение возможности осушки газа до требуемой точки росы в соответствии ОСТ 51.40-93 (конечное охлаждение перед УКПГ); - обеспечение требуемых режимных параметров ГПА последующего цеха (межступенчатое охлаждение).
В процессе промысловой подготовки охлаждение сырого газа осуществляется после промежуточных и конечных ступеней компримирования.
Температура газа на выходе из АВО межступенчатого охлаждения газа определяется условиями дальнейшего его поступления на линию всасывания последующих ступеней компримирования ДКС, при которой не будет происходить конденсация, содержащихся в газе водяных паров, с одной стороны, а с другой стороны максимально допустимой температурой газа по параметрам работы ГПА и должна быть порядка 20-35 С.
Конечная ступень охлаждения газа на ДКС обусловлена необходимостью максимального извлечения свободной влаги в сепараторах на входе УКПГ и обеспечения требуемой температуры контакта процесса осушки газа в аппаратах. Согласно нормативным документам температура газа на выходе этих объектов, расположенных в суровой климатической зоне, не должна превышать 15 С зимой и 25 С ле-том[138].
Работа дожимных компрессорных станций на газовых промыслах характеризуется изменяющимися давлениями (0,5+7,35 МПа) и температурой (5 -J- 40 С) на входе и выходе станции, причём определяющим фактором является снижение давления газа на входе станции из-за снижения пластового давления. Поэтому, для обеспечения номинальной производительности УКПГ и газопровода требуется увеличение степени сжатия газоперекачивающих агрегатов (ГПА), что неизбежно приводит к увеличению температуры газа на выходе ГПА.
Глубина осушки зависит от многих параметров и основные из них: температура, давление, расход газа, концентрация влаги в регенерированном сорбенте, эффективность работы основного технологического оборудования (входных сепараторов, абсорберов, адсорберов, низко-температурных сепараторов и т.д.).
Рассмотрим как влияют режимные параметры, в том числе температура газа на выходе с ДКС, на технологические процессы промысловой обработки газа при применении различных способов (систем) подготовки его к транспорту.
Общие сведения о способах подготовки газа к дальнему транспорту
Промысловая подготовка газа к дальнему транспорту на месторождениях Крайнего Севера осуществляется в настоящее время по трем основным (и конкурирующим между собой) технологиям [25, 72, 98, 102,160]: -абсорбционная осушка с применением жидких поглотителей влаги или абсорбентов (обычно концентрированных водных растворов гликолей); - адсорбционная осушка газа с использованием твердых адсорбентов влаги - силикагеля, цеолитов и др.; - низкотемпературная сепарация (НТС).
Сравнение абсорбционной и адсорбционной технологий показывает, что их технико-экономические показатели весьма близки и оба варианта технологии осушки тощих газов (сеноманских залежей) могут использоваться практически одинаково успешно.
В настоящее время большее распространение в России получил абсорбционный метод осушки газа с применением в качестве абсорбента водных растворов ди-этиленгликоля, а в последнее время триэтиленгликоля.
Установка абсорбционной осушки газа
Принципиальная технологическая схема установки абсорбционной осушки газа в компрессорный период эксплуатации представлена на рисунке 1.1. Проектная производительность установок абсорбционной осушки газа Севера Тюменской об - _____ ласти колеблется в диапазоне от 8 до 35 млрд.м /год. На всех УКПГ основное технологическое оборудование объединено в однотипные автоматизированные техноло-гические линии производительностью от 5 до 10 млн.м /сут.
Исследование влияния основных параметров регулирующих органов на характеристики рециркуляционного регулирования
Под основными параметрами регулирующих органов (на данном этапе анализа в качестве последних рассматривается только жалюзийное регулирование) подразумеваются: площади проходных сечений всех жалюзи, степени их открытия (углов поворота) и коэффициентов сопротивления [137]. Самостоятельное внимание уделено синхронному и асинхронному (частичному) режимам работы органов управления. Под характеристикой рециркуляционного регулирования понимается зависимость степени рециркуляции Gp/Gx от положения органов управления, например, от угла открытия (закрытия) входных, выходных и рециркуляционных жалюзи [166].
Постановка задачи. Рассматривается схема АВО с рециркуляцией воздуха (рис. 2.1) при следующих допущениях: - рассматривается автономная (не сопряженная с характеристиками вентиляторов) аэродинамическая модель процессов течения воздуха через органы управления; - учитываются только потери давления в органах управления; - коэффициенты расхода жалюзи приняты зависящими только от коэффициентов сопротивления; - коэффициенты сопротивления жалюзи не зависят от расходов.
При сделанных допущениях математическая модель поставленной задачи описывается только частью общей системы уравнений (2.1) - (2.11), а именно
В этой постановке система шести уравнений содержит 8 неизвестных ( Pi, АРР, АРвх, АРвьш Gx, Ge, ,GP) т.е. является незамкнутой. Замкнуть эту систему возможно, если перейти к относительным неизвестным переменным величинам. Покажем это конкретно, разделив уравнение (2.14) на (2.13), имеем вх вых
В итоге получаем систему двух , уравнений (2.20) + (2.21), содержащую две неизвестные величины GJGp и GJGp (при заданных и F). Это позволяет определить степень рециркуляции G/Gx как функцию геометрических и аэродинамических параметров всех жалюзи. Но не более того: абсолютные значения давлений и расходов воздуха могут быть определены только в сопряженной с напорно - расходной характеристикой вентиляторов, постановка которой и рассматривается на следующем этапе.
Решение уравнений (2.20) - (2.21) реализовано следующим образом.
Из уравнений Бернулли [1, 169], записанных для входных и выходных сечений регулирующих жалюзи, следует выражение для массового расхода через лю-бое местное сопротивление [2].
Из этого уравнения, полученного для общего случая трехжалюзийного регулирования, следует, что в рамках принятых допущений степень рециркуляции является функцией только отношений пропускных способностей жалюзи (заметим, что уравнение (2.31) не зависит от допущения, касающегося автономного рассмотрения жалюзийных характеристик, т.е. безотносительно к совместной работе жалюзи и вентиляторов).
Важно также, что определяющим динамику рециркуляционной характеристики является отношение пропускных способностей входных и рециркуляционных жалюзи (даже, если А т В , то при синхронном регулировании А/В близко к const).
Здесь уместно сделать следующие замечания. Не располагая данными по зависимостям коэффициентов сопротивления жалюзи от угла открытия, для определения коэффициентов расходов ц , двьш были использованы данные для дискового затвора в одиночном канале (рис.2.3) [113, 162, 169]. При такой интерпретации сопротивления жалюзи скоростной напор воздуха определяется не по скорости воздуха в самих жалюзи, а по скорости на входе (выходе) из них. Это означает, что в определении пропускных способностей в качестве площадей принимаются площади „занятых" жалюзи, т.е. в открытом варианте, а не площади проходного их сечения, которые изменяются в процессе изменения углов поворота (в полном соответствии с уравнением Бернулли).
Двухжалюзийное синхронное регулирование (применительно к опытному образцу ABO газа)
Расчеты напорно-расходньгх характеристик опытного образца АВО в режимах двухжалюзийного синхронного регулирования базировались, прежде всего, на оценке коэффициентов местных сопротивлений воздушного тракта и соответствующих потерь давления. При оценке этих коэффициентов были использованы справочные данные [1, 2, 8, 41, 78, 79, 107, 132, 142, 169] и различные допущения при их отсутствии. При этом наиболее надежными результатами расчета следует рассматривать сравнительные данные, а не абсолютные их значения. Элементы местных сопротивлений воздушного тракта и соответствующие коэффициенты сопротивлений и потерь давления в них сведены в таблице 3.1 с учетом двух вариантов организации рециркуляционного потока: при полностью открытых рециркуляционных жалюзи и полуоткрытых (не по углу открытия, а по длине трубного пучка).
Методики расчета напорно-расходных характеристик и собственно результаты расчета представлены в таблице 3.2 применительно к полностью открытым рециркуляционным жалюзи и в таблице 3.3 приложения А - к полуоткрытым. Графическая интерпретация ряда данных этих таблиц приведена на рис.3.2 + 3.4.
Что касается совместной работы вентиляторов и воздушной сети в предельных условиях регулирования (Gp/Gx= 0 и Gp/Gx= 1), то этот вопрос был подробно рассмотрен выше (п.2.4, рис.2.6) и работе [106]. Напомним основной вывод, сделанный в п. 2.4: конструктивное исполнение опытного образца АВО и двухжалюзийный принцип регулирования неизбежно приводят к значительному снижению подачи вентиляторов, особенно при полуоткрытых рециркуляционных жалюзи. В данном параграфе мы ограничимся графической интерпретацией совместной работы вентиляторов и воздушной сети (рис.3.1), построенной с уточненными данными таблицы 3.1 применительно к предельным условиям регулирования.
На рис.3.3 пунктирной линией нанесена одна из экспериментальных зависимостей Gp/Gx= flcQ, полученных в модельных испытаниях и описанных в работе [166]. И данном случае внимание следует обратить не на количественное совпадение или расхождения расчетных и опытных данных, а на сам факт адекватного описания закономерностей рассматриваемых явлений предложенной физической модели.
К наиболее важным результатам из приведенных следует отнести графики зависимостей относительной подачи вентиляторов (G/G0)x от степени рециркуляции Gp/Gx при различных площадях рециркуляционных жалюзи (рис.3.5): в более крупном масштабе эти данные были использованы при решении системы уравнений (3.4) применительно к расчету температурно-расходных характеристик опытного образца АВО газа в режимах синхронного двухжалюзийного регулирования. Здесь уместно еще раз подчеркнуть, что оценить, насколько хуже уменьшение подачи вентиляторов на 52 % (Fp = 5,35 м2) по сравнению с уменьшением ее на 24 % (Fp = 10,7 м2) (рис.3.4) возможно только путем сравнения тепловых характеристик АВО газа.
Прежде чем переходить к результатам расчета этих характеристик необходимо дать ряд пояснений к методике их расчета, базирующейся, как упоминалось раньше, на решении системы уравнений (3.4).
Первые два уравнения позволяют определить и (G/GX)M и собственно подачу вентиляторов Gx. В данной методике использована обратная процедура: по заданному ряду значений подачи вентиляторов Gx определялись соответствующие значения степени рециркуляции {Gp/GX)Mпо графикам рис.3.5.
Далее, для каждого из заданного ряда значений подачи вентиляторов Gx выполнялся тепловой расчет всего аппарата и отдельной трубы первого по ходу воздуха ряда (Приложение А таблица 3.4, 3.5) с целью определения таких параметров, как Л7, A, txex, Д4 Atx, tsebix, txmx [63,123].
После этого на базе третьего уравнения системы (3.4) находилось то значение температуры наружного воздуха txo, которое с математической точки зрения обеспечивало равенство (Gp/GX)M= {Gp/Gx)t, а с физической - те значения температурных параметров, которые были получены в тепловых расчетах. На завершающем этапе определялся необходимый угол открытия входных (выходных) жалюзи по графику зависимости {Gp/Gx)M=A0 рис.3.3. Аналогичные пояснения к методике расчета и принятым обозначениям сведены в таблицу 3.4.
Аналитическое решение задачи о влиянии неоднородности полей входной температуры и расхода воздуха на внутренние тепловые параметры аппарата
В заключение теоретического анализа работы АВР в режимах жалюзийного регулирования рассмотрим комплекс вопросов и проблем, связанных с неоднородностью продольных (по ходу газу) полей входной температуры воздуха и подачи вентиляторов.
Применительно к серийным АВО газа, особенно при отсутствии систем автоматического их регулирования, проблема неоднородности полей температур и расходов воздуха на входе аппаратов не является актуальной. Однако аппараты воздушного охлаждения газа нового поколения - АВО с внешней рециркуляцией воздуха - практически неизбежно имеют упомянутые поля с той или иной степенью неоднородности. Анализ работы АВО в этих условиях осложнен и тем обстоятельством, что АВО нового поколения имеют автоматическое регулирование температуры воздуха на входе с обратной связью с фиксированной минимальной температурой стенки труб АВО.
Неоднородность продольного поля входной температуры воздуха в АВО нового поколения возникает в силу ряда причин. Основная из них - это неоднородность поля выходной температуры воздуха, что даже при симметричной организации рециркуляционных потоков (т.е. одинаковых на каждый вентилятор) при смешивании их с потоками наружного воздуха приводит к неравномерному продольному полю входной в вентиляторы температуры. В этой ситуации естественно ожидать поля с отрицательным градиентом температуры dtxeJdL. В то же время, как показали испытания опытного образца АВО с рециркуляцией воздуха конструкции ЦКБН, если закрыть рециркуляционные жалюзи на входной половине длины труб ного пучка, направив тем самым в зону более холодного частично горячий воздух для предварительного перемешивания перед рециркуляционными жалюзи, то получается обратная картина: градиент входной температуры становится положительным, т.е. dtxex/dL 0. Таким образом, второй причиной возникновения неоднородности поля входной температуры является несимметричная организация потоков рециркуляционного воздуха к каждому вентилятору. Третья причина более сложная, и анализ ее выходит за рамки данного раздела, но, упрощенно говоря, она является следствием второй причины и заключается в существенной неравномерности подачи вентиляторов при одинаковых числах оборотов приводов и углах установки лопастей.
В качестве иллюстрации в таблице 4.1 приведены некоторые типичные опытные данные по температуре воздуха на входе в вентиляторы (каждая температура получена осреднением показаний 5 - 10 термометров) испытаний образца АВО с рециркуляцией воздуха при одинаковом числе оборотов и углах установки лопастей вентиляторов и наполовину закрытыми (по ходу газа) рециркуляционными жалюзи, полностью открытыми и полностью закрытыми.
Неоднородность продольного поля расхода воздуха на входе в трубный пучок при одинаковых параметрах вентиляторов и приводов является следствием, главным образом, той же несимметричности раздачи воздуха на вход вентиляторов (различ ные геометрии потоков) и частично различным сопротивлением участков трубного пучка (продольное течение воздуха внутри пучка практически отсутствует). В качестве примера приведем данные измерения подач вентиляторов (одинаковые числа оборотов и углы атаки), полученные в тех же условиях, что и результаты таблицы 4.1: вентилятор № 1 - Vx = 81,576-103 м3/час, № 2 - 88,308-Ю3 м3/час, № 3 -101,376-103м3/час.
Попутно отметим, что эти же вентиляторы (при тех же числах оборотов и углах установки лопастей) в летних испытаниях при полностью открытых входных и выходных жалюзи и закрытых рециркуляционных обеспечивали каждый подачу Р=122-103нм3/час.
На первом этапе анализа влияния температурной неравномерности была поставлена задача изучения «реакции» минимальной температуры стенки трубы и тепловой мощности АВО на изменение dtxex/dL в условиях отсутствия автоматического регулирования с обратной связью [51]. Решение задачи базировалось на тепловых расчетах отдельно для трубы первого по ходу воздуха ряда и всего аппарата [123]. В первом случае выполнялся пошаговый расчет с разбиением длины трубы (1= 12 м) на 200 элементарных участков. Во втором случае трубный пучок разбивался на три участка (в соответствии с числом вентиляторов), и каждый участок рассчитывался отдельно. В качестве объекта исследования был выбран упомянутый выше опытный образец АВО при следующих параметрах: объемный расход газа V2 = 54-10 нм /час, давление газа на входе Ргвх= 3,5 МПа, температура газа на входе tzex = 80 С, объемный расход воздуха Vx = 374,7-10 нм /час (dV/dL = 0). Что касается температуры воздуха на входе в вентиляторы (или трубный пучок), то рассматривались три варианта (рис.4.1): А - температура воздуха на входе всех вентиляторов одинакова и равна txex= 5 С; Б - температура воздуха возрастает по ходу газа (перед вентилятором № 1 - 0 С, № 2 - 5 С, № 3 - 10 С); В - температура воздуха убывает по длине АВО (перед вентиляторов № 1 - 10 С, № 2 - 5 С, № 3 - 0 С). Во всех трех случаях средняя температура воздуха оставалась одинаковой и равной /,«=5 С.
