Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Регулирование и оптимизация режимов работы систем охлаждения технологического газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Регулирование и оптимизация режимов работы систем охлаждения технологического газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов"

На правах рукописи

ФОМИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

РЕГУЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ГАЗА НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 б янв гш

005009355

Москва-2012 г.

005009355

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Калинин Александр Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зарицкий Сергей Петрович

кандидат технических наук Головачев Владимир Леонидович

Ведущее предприятие: ОАО «Оргэнергогаз», г. Москва

Защита состоится « ¿V » 2012 г. в ^ час. мин.

в аудитории ^^ff на заседании диссертационного совета Д 212.200.06 в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: Ленинский проспект, 65, Москва, ГСП-1, 119991.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан « » ^¿¿^йДЯ, 2012 г. Объявление о защите диссертации и автореферат размещены на официальном сайте РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина http//www.gubkin.ru и направлены на размещение в сети Интернет Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу référât vak@mon.gow.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор ' А.М. Ревазов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (ABO) 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, A.C. Лопатина, Б.П. Поршакова, А.Д. Седыха, O.A. 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 магист-

ральных газопроводов, появление новых видов компоновки КС и новых типов аппаратов воздушного охлаждения газа, развитие и совершенствование методов обслуживания и способов модернизации ABO 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 ABO 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 ABO 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 ABO 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 ABO 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 ABO и предложен алгоритм рационального регулирования режимов работы аппаратов в системе охлаждения газа на КС МГ;

• предложена методика определения действительных характеристик ABO 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы на современном этапе развития газотранспортной системы России.

В первой главе рассмотрены требования, предъявляемые к системам охлаждения природного газа на КС МГ. Дается описание основных схем систем охлаждения и классификация ABO газа с указанием их основных технологических характеристик и особенностей конструкции.

Приводится обоснование выбора объекта исследования, в качестве которого принята система охлаждения технологического газа на действующей трехцеховой КС. Система охлаждения газа рассматриваемой КС оснащена двумя наиболее распространенными типами ABO газа: 2АВГ-75 отечественного производства и ABO, разработанными фирмой «Nuovo Pignone». Проведен анализ режимов работы рассматриваемой КС и системы охлаждения

технологического газа.

На основе анализа способов регулирования режимов работы аппаратов воздушного охлаждения показано, что для разработки алгоритма рационального регулирования режимов работы ABO в системах охлаждения технологического газа и решения задачи оптимизации режимов работы систем охлаждения природного газа необходимо знание действительных теплотехнических характеристик аппаратов на всех режимах их работы.

В настоящее время в распоряжении обслуживающего персонала КС имеются только паспортные теплотехнические характеристики ABO в графическом виде, которые, как правило, представляются заводами-изготовителями только для одного из возможных режимов работы ABO, когда аппарат работает со всеми включенными вентиляторами, и используются на КС на протяжении всего срока эксплуатации ABO (рис. 1). Эти характеристики не учитывают действительного технического состояния ABO, так как получены в результате стендовых испытаний. Наличие только таких теплотехнических характеристик не дает возможности разработать алгоритм рационального регулирования режимов работы ABO в системе охлаждения и решить задачу оптимизации режимов работы систем охлаждения природного газа на КС МГ.

Анализ критериев, оценивающих эффективность работы ABO и всей цеховой системы охлаждения в целом, показал, что основным недостатком этих критериев является то, что все они являются локальными, то есть они не учитывают влияние режимов работы системы охлаждения рассматриваемой КС на режимы работы систем компримирования и охлаждения последующей станции, а, следовательно, на энергопотребление в этих системах.

В связи с этим появилась необходимость в разработке системного интегрального критерия оценки энергетической эффективности режима работы цеховой системы охлаждения технологического газа с учетом энергетических затрат в системах компримирования и охлаждения газа последующей

КС, на величину которых влияет режим работы рассматриваемой системы охлаждения технологического газа.

Рис. 1. Пример паспортных теплотехнических характеристик ABO газа при работе двух вентиляторов

В заключение главы на основе всестороннего анализа цели диссертационной работы формулируются основные задачи проводимого исследования.

Во второй главе проводится обоснование выбора системного интегрального критерия оптимизации режимов работы систем охлаждения природного газа на КС МГ.

В основу критерия оценки эффективности режимов работы системы охлаждения природного газа на КС, на которой проводится энергетическое обследование, положена сумма значений энергетической составляющей эксплуатационных затрат (С^сс1х1, руб./час) в системе охлаждения технологи-

ческого газа Cc ox¡ рассматриваемой компрессорной станции (КС-1) и сис-

темах компримирования Сс к2 и охлаждения Ссох2 последующей станции

где пи, п2в - число включенных вентиляторов в системах охлаждения обследуемой и последующей КС; N¡e, N2e - мощности электропривода вентиляторов ABO в системах охлаждения рассматриваемой и последующей КС, кВт; х - число ГТПА, работающих в системе компримирования КС-2; у - число ЭГПА, работающих в системе компримирования КС-2; N¡ ¡, N¡j - внутренняя мощность, расходуемая на сжатие газа в нагнетателях i - го работающего ГТПА и j - го работающего ЭГПА, включенных в систему компримирования КС-2, кВт; це¡ - эффективный КПД ГТУ i - го работающего ГТПА; цмех1 - механический КПД i - го ГГПА; Лэ„;> Чред] ~ КПД электродвигателя и редуктора j - го работающего ЭГПА; ЦТГ - цена топливного газа, руб./1000 м3; Цээ - цена электрической энергии, руб./(кВт-ч); QHp - низшая теплота сгорания топливного газа, кДж/кг.

Следует отметить, что при определении энергетической составляющей эксплуатационных затрат в рассматриваемой системе охлаждения технологического газа Сс ох1 обследуемой КС и системах компримирования Сс к2 и

охлаждения Сс ох2 газа последующей станции учитывается действительное техническое состояние теплообменного и газокомпрессорного оборудования, а также их загрузка.

(КС-2) (рис. 2)

CZc.oxl - Cc.oxl + Сс.к2 + Сс.ох2 ЧЭЭ +

ЗУ

+—

+ "2е-^2в-ЧэЭ, (О

Рис. 2. Схема и эксплуатационные характеристики технологического

участка МГ

Оптимальным режимом системы охлаждения рассматриваемой КС-1 следует считать такой режим, при котором сумма значений энергетической составляющей эксплуатационных затрат в системе охлаждения технологического газа обследуемой компрессорной станции и системах компримирова-ния и охлаждения последующей станции принимает минимальное значение

СХс.ох1 = Ссмх1 + Сск2 + Ссох2 = min. (2)

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 í,.2o„m (рис. 2, 3).

При реализации алгоритма определения оптимального режима работы системы охлаждения рассматриваемой КС-1 первоначально необходимо определить, за счет повышения или понижения тепловой мощности системы охлаждения рассматриваемой КС-1 можно снизить критерий оптимизации режима работы системы охлаждения газа С^с ох, (1). Изменение тепловой

мощности системы охлаждения газа обеспечивается включением (отключением) вентиляторов ABO системы охлаждения КС-1.

Далее следует снижать (повышать) температуру газа на выходе КС-1 до значения, при достижении которого суммарные затраты начинают расти. Это значение температуры можно назвать оптимальным на входе линейного уча-

стка МГ ¡¡_2опт (рис. 3). Этот режим работы системы охлаждения газа, соответствующей минимальной величине суммарных энергетических затрат Сусох1т1п и является оптимальным.

г ^ УС.ССС1 с ^ У СОХ 1д

\

\ ч

\

^Сус.охг 1

чз^п- ,п

г ^ УС.ОХ1ГШП

^ 1-2 опт ¡¡-2д ^1-2

Рис. 3. Графическая иллюстрация алгоритма определения оптимального режима работы системы охлаждения рассматриваемой КС-1:

О - расчетные значения критерия оптимизации (1) при различных режимах работы

рассматриваемой системы охлаждения технологического газа; — - зависимость значения критерия оптимизации (1) от режимов работы рассматриваемой системы охлаждения технологического газа.

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 Сс ох1 рассматриваемой компрессорной станции (КС-1), системах компримирования Сск2 и охлаждения Ссох2 последующей

станции (КС-2) в действительном режиме эксплуатации системы охлаждения С^с.ох1д относительно оптимального С^с ох1тт (рис. 3)

Чем ниже значение критерия оценки эффективности режимов работы системы охлаждения природного газа, тем ближе режим эксплуатации системы охлаждения к оптимальному (3).

Апробация предлагаемой методики оптимизации и оценки режима работы цеховой системы охлаждения газа рассматриваемой КС - объекта исследования, показала возможность экономии энергетических затрат при переходе от действительного к оптимальному режиму работы за счет снижения температуры газа на выходе КС-1 с t¡_2d до ti_2onm (рис. 3).

Определение оптимального значения температуры газа на выходе КС следует проводить постоянно с целью оптимизации режима работы системы охлаждения газа при изменяющихся режимах работы МГ и погодных условий с учетом действительных теплотехнических характеристик ABO.

Анализ результатов обработки эксплуатационных характеристик работы систем охлаждения показывает, что основным параметром, определяющим значение тепловой мощности ABO, является разность температур между природным газом на входе в аппарат и атмосферным воздухом At = tIAB0 - ta.

В результате проведенного исследования получены действительные теплотехнические характеристики двух наиболее распространенных типов ABO газа: 2АВГ-75 и ABO, изготовленных фирмой «Nuovo Pignone», в аналитической и графической формах для всех режимов их работы в виде зависимости тепловой мощности ABO QABq от максимальной разности температур между природным газом и атмосферным воздухом Дt (рис. 4, 5)

(3)

Qabo=№).

(4)

кВт 1400

1200

1000

800

600

400

200

0

"" 1----------------- ш

3 я/ уш ■

2 У <

1 N "Л - * „ -¿О °

с>

о--" \

У \ ▲ ▲ А

\ ▲— L—íí -

25

30 Ог

Рис. 4. Действительные теплотехнические характеристики ABO газа типа 2АВГ-75:

1 - при отключенных вентиляторах ((2лвосв = 1,06 At + 0,12At2);

2 - при одном включенном вентиляторе (QÁ^0¡ = 39,6 At);

3 -при двух включенных вентиляторах (g^Jfp = 55,4ht)-

2лво> кВт

2000 1500 1000

500

10

■

3 1 ■■ 1 м -л ■ о о

2 ■ ■ к

1 А А

___А- i А к

15

20

25

Д/ = /,

'aso

30

-(..'С

Рис. 5. Действительные теплотехнические характеристики ABO газа, разработанных фирмой «Nuovo Pignone»:

1 - при отключенных вентиляторах (Q^goce = 4,85At + 0,3 lAt2);

2 - при одном включенном вентиляторе (Q¿g0¡ = 50,8At);

3 - при двух включенных вентиляторах (QIj¡¡¡q2 = 71,2At).

Проведенное исследование показало, что возможно повысить точность действительных теплотехнических характеристик ABO на всех режимах работы, представив их в традиционной «лучевой» форме. В этом случае теплотехнические характеристики аппаратов воздушного охлаждения будут учитывать не только ухудшение технического состояния аппаратов из-за увеличения термического сопротивления загрязнений поверхности теплообмена, механических повреждений оребренной поверхности, снижения площади поверхности теплообмена за счет исключения из работы части теплообменных труб, потерявших герметичность, но и изменение расхода газа через ABO.

В основу построения «лучевых» характеристик ABO положено выражение для тепловой мощности аппарата, полученного из уравнения теплового баланса теплообменного аппарата и основного уравнения теплопередачи

Qabo = &Аво'срт '(Чаио ~{2лво) = к- F ■ (tABOn, -ta), (5)

где Qabo - тепловая мощность ABO, кВт\ GAB0 - средний массовый расход газа через один ABO, кг/с\ срт - средняя удельная теплоемкость газа, кДж/(кг-К)\ F - площадь поверхности теплообмена, м2\ t,AB0,t2AB0 - значение температуры природного газа на входе и выходе ABO, °С; ta - температура атмосферного воздуха, °С; tABOn ! - средняя температура природного газа в ABO, °С; к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К).

В результате проведенного исследования были разработаны алгоритм и программа расчета, позволяющие построить, на основе обработки эксплуатационных данных, действительные «лучевые» теплотехнические характеристики различных типов ABO для всех режимов их работы (рис. 6, 7, 8).

Сопоставление действительных и паспортных характеристик ABO типа 2АВГ-75 для режима работы аппарата с двумя включенными вентиляторами показывает, что относительная ошибка при определении снижения темпера-

туры природного газа в ABO и тепловой мощности аппаратов при использовании паспортных характеристик может составить порядка 10 %.

Рис. 6. Действительные «лучевые» теплотехнические характеристики ABO газа типа 2АВГ-75 при отключенных вентиляторах

2,0 Qabo МВт

1.5

1.0

0,5

0

0 5 10 15 20

/ °Г

1'лво '2ЛВО'

Рис, 7. Действительные «лучевые» теплотехнические характеристики АВО газа типа 2АВГ-75 при одном включенном вентиляторе

Qabo<

МВт

2,5 ■

2.0

1,5 ■

с

1.0

0.5 ■ 0

О 5 10 15 20 25

/ -t °Г '¡ASO ^АВО' ^

Рис. 8. Действительные «лучевые» теплотехнические характеристики ABO газа типа 2АВГ-75 при двух включенных вентиляторах

В работе также дается решение задачи определения средней температуры смеси потоков природного газа. Актуальность решения этой задачи связана с тем, что ввиду различных режимов работы ABO в системах охлаждения технологического газа, технического состояния аппаратов и значений расхода природного газа через аппараты воздушного охлаждения, потоки газа, выходящие из аппаратов, имеют различные значения температуры и давления.

Среднюю температуру потока газа после смесеобразования в трубопроводе (коллекторе) предлагается рассчитывать по соотношению

Тт~--ÍG¡cpm.r(T¡+AT¡) =

Gm'Cpm '=/

= -£сгсрт, ■ [Т{ + Dhm¡ • (р, - pm)J, (6)

' Cpm ¡=1

где G, - массовый расход i-ro потока газа; с . - средняя удельная изобарная массовая теплоемкость i-ro потока газа; Gm - массовый расход газа после

смесеобразования; срт - средняя удельная изобарная массовая теплоемкость смеси; p¡ - давление /-го потока газа; рт - среднее давление потока газа после смесеобразования; Д7] - изменение температуры i-го потока газа при дросселировании; Dhm ¡ - коэффициент Джоуля-Томсона в процессе дросселирования /-го потока газа на первом этапе смесеобразования.

В третьей главе проведена оценка эффективности режимов работы ABO газа, а также методов повышения эффективности работы ABO и систем охлаждения технологического газа на многоцеховых КС МГ.

Основным способом регулирования температуры газа на выходе из системы охлаждения является включение или отключение вентиляторов, установленных на ABO. Наибольшее распространение получили ABO с двумя последовательно установленными вентиляторами. При этом возникает задача оценки эффективности режимов работы ABO при включении только первого или только второго по ходу движения газа вентилятора. В работе проведено аналитическое сопоставление эффективности указанных режимов работы ABO (рис. 9).

Рис. 9. Схемы и характеристики работы ABO на сопоставляемых режимах:

а) первый режим - включен первый по ходу движения газа вентилятор, второй отключен;

б) второй режим - включен второй по ходу движения газа вентилятор, первый отключен.

В качестве условия однозначности принимается, что перетоки (рециркуляция) воздуха между секциями ABO в цеховой системе охлаждения отсутствуют, а, следовательно, значения температуры воздуха на входе обеих секций ABO равны между собой и равны температуре окружающей среды ta с . Также равны между собой значения температуры природного газа на входе ABO t, = t'j и расхода природного газа через ABO G.

Кроме того, принято, что значения коэффициента теплопередачи от природного газа к атмосферному воздуху к, отнесенного к максимальной разности температур между теплоносителями, при теплоотдаче от наружной поверхности оребренных труб к воздуху при вынужденной конвекции (в секциях с включенными вентиляторами) равны для двух рассматриваемых режимов работы ABO. Значения коэффициента теплопередачи, отнесенного к максимальной разности температур между теплоносителями, при теплоотдаче от наружной поверхности оребренных труб к воздуху при свободной конвекции (в секциях с выключенными вентиляторами) также равны для двух рассматриваемых режимов работы ABO и составляют к, = с-к (с<1).

Используя выражение для тепловой мощности аппарата, найденного из уравнения теплового баланса теплообменного аппарата и основного уравнения теплопередачи, получаем соотношения для определения значений температуры природного газа на выходе аппарата, работающего в режиме с включенным первым по ходу движения газа вентилятором t2, и ABO, работающего в режиме с включенным вторым по ходу движения газа вентилятором t'2:

G-cnm-k-F (t,-t0J(k-F + c-k-F---S-;

__Gcpm

G-cpm

(7)

G - с __ -c-k-F

(t,-t0J(c-k-F + k-F--s-j

O -c„„

t'2 = t,----=-■ (8)

G-cpm

Оценка эффективности ABO для двух режимов его работы проводится по результату сопоставления значений температуры природного газа на выходе аппарата t2 (7) и t'2 (8) для рассматриваемых режимов. Разность этих температур равна нулю

t'2-t2=0, (9)

что говорит об одинаковой эффективности сопоставляемых режимов ABO при принятых условиях однозначности.

С целью опытной проверки аналитического решения задачи сопоставления эффективности двух режимов работы ABO был проведен промышленный эксперимент. В качестве объектов исследования были выбраны два ABO газа типа 2АВГ-75, на одном из которых установлены два новых композитных рабочих колеса вентиляторов ГАЦ-50-4М2, а на другом- два вентилятора, имеющие металлические рабочие колеса типа Т-50-4 «Торнадо» (рис. 10).

Перед проведением эксперимента было произведено техническое обслуживание ABO, в процессе которого были проверены углы установки лопастей всех вентиляторов, зазоры между диффузорами и лопастями вентиляторов, а также была произведена пароводоструйная очистка наружной поверхности труб теплообменных секций ABO.

Температура природного газа на входе и выходе аппаратов воздушного охлаждения газа измерялась хромель-копелевыми термопарами, установленными в карманах входного и выходного патрубков ABO. Остальные характеристики, необходимые для исследования: температура окружающего воздуха, давление газа на входе ABO, расход технологического газа через ABO определялись с помощью штатных приборов, установленных в цеховых системах управления компрессорной станции.

На каждом ABO было произведено экспериментальное исследование на четырех режимах:

• оба вентилятора ABO выключены;

• включен только первый по ходу движения газа вентилятор;

• включен только второй по ходу движения газа вентилятор;

• включены оба вентилятора.

Результаты промышленного эксперимента показали, что в ряде экспериментов режим работы ABO с первым включенным по ходу движения газа вентилятором более эффективен, чем режим работы со вторым включенным по ходу движения газа вентилятором, а в ряде случаев эффективность аппаратов со вторым включенным вентилятором была выше.

Эффективность сопоставляемых режимов работы ABO оценивалась по величине тепловой мощности аппарата QAB0. Относительное расхождение тепловой мощности аппарата для сопоставляемых режимов работы составляло от 4 до 10 %. Это расхождение связано с тем, что при экспериментальном исследовании не могло быть выполнено условие, при котором значения температуры воздуха на входе всех теплообменных секций равны температуре

окружающей среды tg c . Это условие может быть соблюдено только в случае, когда теплообменные секции ABO строго изолированы друг от друга.

В действительности же на эффективность работы ABO оказывает влияние подсос воздуха из соседних секций и циркуляция теплого воздуха прошедшего через теплообменные секции. На интенсивность рециркуляции воздуха оказывает существенное влияние режимы работы теплообменных секций соседних ABO, а также скорость и направление ветра. Таким образом, в идеале при регулировании работы ABO следует учитывать и эти обстоятельства. Кроме того, как показывает практика, эффективность ABO на всех режимах работы можно повысить за счет оптимизации профиля направляющего аппарата - диффузора и более высокого подъема конструкций аппаратов над уровнем земли.

В ходе описанного промышленного эксперимента проводилась также оценка эффективности работы вентиляторов нового поколения ГАЦ-50-4М2, выполненных из композитных материалов, и оценка эффективности работы ABO с двумя включенными вентиляторами.

Результаты исследования показали, что эффективность работы ABO типа 2АВГ-75, оснащенными вентиляторами нового поколения, на режимах их работы с одним или двумя включенными вентиляторами выше на 4,1 -т- 11,7% по сравнению с аппаратами, оборудованными металлическими вентиляторами Т-50-4 «Торнадо», что подтверждает эффективность использования рабочих колес вентиляторов нового поколения ГАЦ-50-4М2 производства ЗАО «Гидроаэроцентр».

Результаты эксперимента также показали, что перевод ABO с режима работы с одним включенным вентилятором на режим работы с двумя включенными вентиляторами ведет к снижению эффективности работы аппаратов, так как включение второго вентилятора в ABO повышает тепловую мощность аппарата QAB0 лишь на 15 - 35 %, увеличивая затраты электрической энергии в 2 раза. В связи с этим при увеличении требуемой тепловой

мощности системы охлаждения вторые вентиляторы в аппаратах цеховой группы следует включать только после того, как во всех ABO будет включено по одному вентилятору. При снижении требуемой тепловой мощности системы охлаждения в первую очередь следует выключать вторые вентиляторы ABO газа. Таким образом, эксплуатация цеховой системы охлаждения газа на режимах, при которых часть ABO работают с выключенными вентиляторами, а часть работает с двумя включенными вентиляторами, ведет к перерасходу электрической энергии в системах охлаждения технологического газа.

В третьей главе также рассматривался вопрос целесообразности использования в ABO газа частотных регуляторов приводов (ЧРП) электродвигателей вентиляторов. Использование ЧРП электродвигателей на ABO газа дает возможность тонкого регулирования режимов работы аппаратов с целью предотвращения конденсато - и гидратообразования в трубном пучке и снижения затрат электрической энергии в электродвигателях вентиляторов ABO, которое может составить от 21 % до 57 %.

Если целесообразность использования ЧРП электродвигателей вентиляторов ABO газа на дожимных КС определяется условиями эксплуатации, то достигнуть экономии затрат электрической энергии в энергоприводе вентиляторов ABO, используемых на линейных КС средней полосы, можно за счет менее дорогостоящего способа, который заключается в использовании рабочих колес вентиляторов с различными углами установки лопастей. В работе предлагается установить часть вентиляторов в ABO цеховой системы охлаждения на меньший расход воздуха, что дает возможность снизить потребление электрической энергии в электродвигателях аппаратов, где проведена такая переустановка.

К примеру, если вместо одного вентилятора УК-2М с углом установки лопастей 2(f включить два вентилятора с углами установки /0°, то можно снизить затраты мощности в электродвигателях ABO приблизительно на АN = 16 кВт и получить экономию электрической энергии до

= 16кВт- ч. Кроме этого, общий объемный расход воздуха, идущий на охлаждение газа, увеличится на 210 тыс. м3/ч., повышая тепловую мощность системы охлаждения газа (рис. 11).

Ne, кВт

90 180 270

Н, Па

» 540 630 720 О^тысЛ/час

I I t i i i i < i | | | |

,Т1"Г"П"Т"ГТГ-П"Т ■5L J_L_LJ,.1-LJ._1_L J- J_ i i i i i i i i i i - 4--U-l-4--U -I--J-4 -

I I i i t I I I I t ТТТТТ-1-Т —r-~1""t —

L ' f X 1 • ' * J 1 "ГГТГГ'ГТ'Г i~

I lwl ! I í i I I I

Углы установки

, , , цоцафе/л, ( ,

-L-LJ.i.LJ.i.LJ.J. I I t I I I I I I I I I I I

i i i i i i Г i "ГТ"Г"Г f-

90 180 270 360 450 540 630 720 ~ 3,

O O „ QgyftKicM ¡час

Рис. 11. Аэродинамические характеристики вентилятора УК-2М

Таким образом, вентиляторы ABO цеховой системы охлаждения газа можно настроить на разные углы установки лопастей, в первую очередь регулируя режимы работы ABO за счет включения вентиляторов с меньшим потреблением электрической энергии. Данный способ регулирования имеет основное преимущество частотного регулирования - снижение потребления электрической энергии на охлаждение газа и не требует дополнительных затрат на приобретение и установку нового оборудования.

Одной из важнейших задач, решаемой при эксплуатации ABO, является оценка эффективности очистки внутренней и наружной поверхностей тепло-

обменных труб ABO. В результате многолетнего опыта эксплуатации ABO установлено, что промывку наружной поверхности оребренных трубок необходимо производить два раза в году.

В работе был произведен анализ результатов промышленного эксперимента по очистке внутренней поверхности теплообменных труб ABO типа 2АВГ-75, находящегося в эксплуатации более 20 лет. Проведенный эксперимент показал, что очистка внутренней поверхности теплообменных труб с помощью механических приспособлений является чрезвычайно трудоемким процессом. Поэтому был предложен способ и схема промывки внутренней поверхности теплообменных труб ABO с помощью поверхностно активных растворителей, периодичность проведения которых должна определяться уровнем снижения тепловой мощности аппаратов, связанным с ростом термического сопротивления загрязнений.

В третьей главе также проведена оценка эффективности использования перемычек между цеховыми группами ABO газа на многоцеховых КС. Количественная оценка эффективности использования перемычек между группами цеховых ABO проводилась на основе сопоставления энергетических затрат в денежном выражении, расходуемых в системе охлаждения трехцехо-вой КС при отсутствии и наличии перемычек между группами цеховых ABO. Результаты проведенного исследования показали, что при фактических значениях эксплуатационных характеристик технологического участка МГ, в который входит рассматриваемая компрессорная станция, использование перемычек между цеховыми группами ABO и сохранении значения температуры природного газа на выходе из системы охлаждения КС дает возможность существенно сократить расход электрической энергии в системе охлаждения газа на КС за счет выключения части вентиляторов: месячная экономия энергетической составляющей эксплуатационных расходов в системе охлаждения рассматриваемой КС составляет около 190 тыс. руб.

Основные выводы и результаты работы

1. Используемая в настоящее время система критериев не позволяет достоверно оценить эффективность режимов работы систем охлаждения газа на КС МГ. В работе предложен интегральный критерий оценки эффективности режимов работы системы охлаждения газа на КС, в основу которого положена сумма значений энергетической составляющей эксплуатационных затрат в системе охлаждения обследуемой КС и системах компримирования и охлаждения последующей станции.

2. Разработана методика определения оптимального режима работы системы охлаждения газа по предлагаемому критерию, который определяет оптимальное значение температуры природного газа на выходе КС.

3. Предложена методика, разработаны алгоритм и компьютерная программа определения действительных теплотехнических характеристик ABO газа при различных режимах их работы по эксплуатационным данным, которые могут использоваться для определения действительных характеристик ABO любых типов и модификаций.

4. В результате проведения промышленного эксперимента доказана эффективность использования рабочих колес вентиляторов нового поколения ГАЦ-50-4М2 для ABO типа 2АВГ-75.

5. Доказано аналитически и подтверждено экспериментально практическая тождественность эффективности режимов работы ABO при включении только первого или только второго по ходу движения газа вентилятора.

6. Доказана эффективность использования перемычек между цеховыми группами ABO газа на многоцеховых КС, работающих в режиме недозагруз-ки.

7. Проведена оценка различных способов повышения эффективности работы ABO газа, которая показала возможность снижения энергетических затрат в аппаратах за счет использовании рабочих колес вентиляторов с различными углами установки лопастей.

Основные положения диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Фомин A.B. Оценка методов повышения эффективности работы ABO газа П Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России // Новые технологии в газовой промышленности: сборник докладов. Секция 3. Проектирование, сооружение и эксплуатация систем транспорта и хранения газа. -М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2010. - с. 58 - 60.

2. Калинин А.Ф., Фомин A.B. Эффективность использования перемычек между цеховыми группами ABO в системах охлаждения природного газа КС // Территория Нефтегаз. - 2011 - № 2. - с. 58 - 61.

3. Калинин А.Ф., Фомин A.B. Оценка эффективности работы вентиляторов нового поколения для ABO типа 2АВГ-75 // Нефть, газ и бизнес. -2011 - № 2. — с. 57-60.

4. Фомин A.B. Оценка эффективности режимов работы ABO газа // Новые технологии в газовой промышленности: сборник докладов. Секция 4. Проектирование, сооружение и эксплуатация систем транспорта и хранения газа. -М: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011. - с. 59-60.

5. Калинин А.Ф., Фомин A.B. Оценка эффективности режимов работы ABO // Труды РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина-2011 ~№4. - с. 156- 160.

Подписано в печать 17.01.2012. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 12

Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8(499)233-95-44

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Фомин, Александр Владимирович, Москва

61 12-5/1395

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. ГУБКИНА

На правах рукописи УДК 622.628.26

ФОМИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

РЕГУЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ГАЗА НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ

ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................4

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 й основное энерготехнологическое оборудование компрессорной станции «Долгое»..................................................21

1.3. Режимы работы систем охлаждения природного газа, оснащенных ABO...........................................................................................24

1.4. Основные задачи, решаемые при эксплуатации и обслуживании систем охлаждения природного газа, оснащенных ABO......................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 ABO..................................................................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 ABO..............64

2.6. Лучевые характеристики ABO 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 ABO газа.................86

3.2. Рациональное регулирование режимов работы ABO газа на

КС МГ за счет включения (отключения) вентиляторов......................90

3.3. Эффективность использования перемычек между цеховыми группами ABO.........................................................................99

3.4. Оценка эффективности работы вентиляторов ABO

различных модификаций.......................................................... 107

3.5. Анализ целесообразности использования частотных регуляторов электродвигателей вентиляторов ABO..........................121

3.6. Оценка эффективности очистки внутренней и

наружной поверхностей теплообменных труб ABO..........................127

Выводы по третьей главе...........................................................137

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ..............................................................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................140

ВВЕДЕНИЕ

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. В настоящее время, привычная стратегия России по наращиванию добычи углеводородов 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 высокотехнологичного оборудования.

Принятый в марте 1996 г. Федеральный Закон "Об энергосбережении" считает обязательным энергетические обследования предприятий, если годовое потребление ими энергетических ресурсов составляет более шести тысяч тонн условного топлива. Одной из самых энергоемких отраслей промышленности России является газовая промышленность, а самой энергоемкой из подотраслей газовой промышленности является магистральный транспорт природного газа. Потребление энергоресурсов каждой компрессорной станцией (КС) на газопроводе диаметром 1420 мм составляет около 150 тысяч т.у.т. и, вследствие этого, вопрос энергосбережения для них чрезвычайно актуален [72].

Целенаправленная политика в сфере энергосбережения газовой отрасли ведется ОАО «Газпром» с 1996 - 1998 гг.. В декабре 2010 года в ОАО «Газпром» приняты «Концепция энергосбережения и повышения энергоэффективности на период 2011-2020 грдов» и «Программа энергосбережения и повышения энергоэффективности на 2011-2013 годы»,

которые соответствуют «Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2030 года» [107].

В соответствии с Концепцией, основной задачей компании является максимальная реализация потенциала энергосбережения во всех видах деятельности и, как следствие, снижение техногенной нагрузки на окружающую среду. Задача будет решаться путем применения инновационных технологий и оборудования, а также совершенствования управления энергосбережением. Потенциал энергосбережения в 2011-2020 годах определен в 28,2 млн. т.у.т.

Решению различных аспектов проблемы энергосбережения при магистральном транспорте природного газа посвящены работы Н.И. Белоконя, Р.Н. Бикчентая, Б.В. Будзуляка, З.Т. Галиуллина, С.П. Зарицкого, В.А. Иванова, А.Ф. Калинина, Б.Л. Кривошеина, Е.В. Леонтьева, A.C. Лопатина, В.И. Никишина, Б.П. Поршакова, Б.С. Ревзина, А.Д. Седыха, В.А. Щуровского, Е.И. Яковлева и др. [20, 22, 25, 26, 42, 47, 56, 69, 75, 77, 84, 93, 109, 110].

Основными потребителями электрической энергии на КС магистральных газопроводов (МГ), оснащенных газотурбинными газоперекачивающими агрегатами (ГПА), являются системы охлаждения транспортируемого газа, состоящие из аппаратов воздушного охлаждения газа (ABO). В связи с этим в этих условиях система охлаждения является основным ресурсом сбережения электрической энергии при магистральном транспорте природного газа. ABO получили широкое распространение в газовой промышленности. Они просты в обслуживании и не требуют промежуточного теплоносителя.

ABO, применяемые на КС МГ, имеют конструктивные особенности отличающиеся числом трубных секций, длиной, оребрением и расположением труб в секциях, числом и расположением вентиляторов, мощностью электродвигателей. Но, несмотря на это различие, для них справедливо одно общее положение. Практика эксплуатации ABO 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 ABO при отсутствии реальных тепловых характеристик.

Важным направлением экономии энергозатрат в системе охлаждения технологического газа являются совершенствование вентиляторов ABO, регулирование режимов работы вентиляторов за счет использования частотного регулирования, а также изменением угла установки лопастей вентиляторов.

Одним из ресурсов энергосбережения при магистральном транспорте природного газа является оптимизация режима работы систем охлаждения технологического газа на КС с расчетом оптимальной температуры газа на входе в МГ. Значение этой температуры зависит от соотношения цен на энергоресурсы, режим МГ, загрузку мощностей КС, технического состояния ABO газа.

Решению обозначенных задач, позволяющих повысить эффективность работы систем охлаждения технологического газа на КС МГ, а, следовательно, снизить энергетические затраты на магистральный транспорт природного газа и посвящена представленная работа.

1.РОЛЬ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА

ЛИНЕЙНЫХ КС ПРИ МАГИСТРАЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ

ПРИРОДНОГО ГАЗА

Компрессорная станция - составная и неотъемлемая часть магистрального газопровода, обеспечивающая транспорт газа. Компрессорные станции служат управляющими элементами магистральных газопроводов: именно эксплуатационные характеристики КС определяют режим работы газопроводов.

На компрессорных станциях магистральных газопроводов осуществляется технологический процесс компримирования природного газа, очистка природного газа от жидких и твердых примесей и охлаждение газа перед подачей его в линейный участок.

1.1. 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 (ABO). 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. ABO на КС МГ входящие в цеховые системы охлаждения включают в себя обычно от 8 до 16 аппаратов воздушного охлаждения. В цеховой группе ABO происходит охлаждение природного газа, сжимаемого в газоперекачивающих агрегатах данного цеха (рис. 1.1, 1.2) [40].

Рис. 1.1. Схема и обвязка цеховой системы охлаждения:

1 - аппараты воздушного охлаждения; 2 - коллекторы; 3 - краны; 4 - свечи;

5 - температурные компенсаторы; 6 - обводная (байпасная) линия.

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)

Выход газа из цеховой системы охлаждения

Вход газа в цеховую систему охлаждения

Вход газа в цеховую систему охлаждения

[67, 79, 104].

Рис. 1.2. Вид цеховой системы охлаждения, оснащенной АВО

Рис. 1.3. Схема модульной компоновки КС с агрегатной обвязкой

системы охлаждения

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 ABO, за счет теплообмена с атмосферным воздухом. Эти аппараты включают в себя следующие основные узлы и агрегаты: секции оребренных 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].

Рис. 1.4. Схема зигзагообразного ABO с нижним расположением

вентиляторов

Рис. 1.5. Схема горизонтального ABO с нижним расположением

вентиляторов:

1 - секции оребренных теплообменных труб; 2 - направляющий аппарат -диффузор; 3 - фундаментная опора под электродвигатель с установленным на нем вентилятором; 4 - опорные металлоконструкции.

Рис. 1.6. Схема горизонтального ABO с верхним расположением

вентиляторов:

1 - секции оребренных теплообменных труб; 2 - вентилятор; 3 - направляющий аппарат - диффузор; 4 - опорные металлоконструкции; 5 - клиноременная передача; 6 -электродвигатель.

Через пучок оребренных 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 ABO, имеют развитые оребренные наружные поверхности. Коэффициент оребрения этих труб, равный отношению поверхности оребренной 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].

Рис. 1.7. Трубы с поперечным оребрением: а - накатанным; б - завальцованным; в - напрессованным.

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 ABO, 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].

Таблица 1.1

Основные характеристики аппаратов воздушного охлаждения, используемых на КС МГ

Характеристики Тип аппарата

2АВГ-75 (Россия) АВЗ-7500 (Россия) «Крезо JIyap» (Франция) «Нуове Пеньоне» (Италия) «Хадсон» (Италия) «Ничимен» (Япония) «Пейя» (Голандия)

Площадь оребренной поверхности теплообменных труб ABO, м2 9930 7500 9360 8541 10793 10956 9500

Коэффициент оребрения 20,0 14,6 21,2 23,2 21,1 21,4 23,8

Площадь проходного сечения, м 0,186 0,341 0,196 0,148 0,205 0,218 0,168

Число ходов по газу 1 1 1 1 1 1 1

Число сек