Gas-cooler installation for compressor shops of the maigas pipelines

Full Text

Специфика трубопроводного транспорта природного газа (ПГ) по магистральным газопроводам (МГ) заключается в том, что для обеспечения их требуемой производительности необходимо поддержание давления и температуры газа, подаваемого в газопровод. Для этогочерез каждые 100-150 километров по трассе МГ сооружают газокомпрессорные станции (ГКС) с газоперекачивающими агрегатами (ГПА), повышающимидавление транспортируемого природного газа. Температура сжимаемого газа зависит от степени повышения давления πКЦ в нагнетателях ГПА. Например, при πКЦ= 1,44, соответствующей максимальной нагрузке компрессорного цеха (КЦ), температурасжатого газа на выходе из ГПА может достигать 45 °С. При высокой температуре газа повышаютсятемпературные напряжения металла в трубах, которые могут привести к потере устойчивости трубопровода и его разрушению.Сповышением температуры сжимаемого газа увеличивается его вязкость и гидравлические потери, снижающие пропускную способность газопровода. Поэтому охлаждение сжатого газа в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) является одним из важнейших технологических процессов КЦ. В данной работе проведена оценка эффективности использования АВО газав климатических условиях работы компрессорных станцийООО «Газпром трансгаз Самара». В настоящее время на этих КЦ используются три типа АВО газа. АВО «Хадсон» и «Ново-Пиньоне» - итальянского,а«Крезо-Луар» - французского производства.Эти АВО выполнены одноходовыми с поверхностью охлаждения из оребренных трубок и снабжены двумя вентиляторами. Нагретый при сжатии природный газ с температурой ТН охлаждается в АВО от температуры ТН до Т2за счет теплообмена с атмосферным воздухом, подаваемым вентиляторами. Температура газа на входе в АВО оценивается по зависимости , K, где TК - температура ПГ на входе в нагнетатель (соответствует значению температуры грунта в данный период); πКЦ- степень повышения давления в центробежном нагнетателе природного газа (ЦНПГ); n-показательполитропы сжимаемого газа. На рис. 1 показан характер изменения температуры газа на выходе из ЦН tН, °С, в зависимости отпериода года и величины степени повышения давления в нагнетателе πКЦ. Рис. 1. Изменение температуры ПГ на входе в АВО в течение года Количество теплоты (Q0), необходимое для отвода от природного газа по компрессорному цеху, работающему со степенью повышения давления πКЦ=1,44, расчитывается по зависимости 1 (рис. 2) , кДж/с, (1) где QК - коммерческая производительность газопровода,млнм3/сут; ρст- плотность ПГ при стандартных условиях (t = 20 °С и атмосферном давлении), кг/м3; cрг - удельная изобарная теплоемкость природного газа, Дж/кгК. Рис. 2. Изменение количества удельной теплоты, отводимой в АВО(πКЦ =1,44), в зависимости от времени года Наибольшее количество теплоты отводитсяот газав летний период, так как сжатый газ поступает в нагнетатели с повышенной температурой. Оценка эффективности работы АВО проведена с учетом характера изменения температуры газа на выходе АВОза годовой период.Предполагалось, что все нагнетатели КЦ работают с πКЦ = 1,44. Средний температурный напор Θ и теплота Q1,воспринимаемая охлаждающим воздухом, определяютсяинтенсивностью теплопередачи в АВОи рассчитываются по уравнениям теплопередачи и теплового баланса: ;, (2) где Fp - площадь поверхности теплообмена, м2; nАВО - число АВО; kp - коэффициент теплопередачи, Вт/м2К; Gв - расход воздуха через вентилятор АВО, кг/с; срв- удельная изобарная теплоемкость воздуха, Дж/кг·К; Тв1, Тв2 - температура воздуха на входе и выходе из АВО, К. С другой стороны, средний температурный напор зависит от температуры теплоносителей иопределяется по уравнению . (3) Следовательно, для оценки эффективности АВО, характеристики которых приведеныв табл. 1, необходимо определить температуру газа Т2 на выходе из АВО в зависимости от температуры окружающего воздуха Тв1вдиапазоне изменения от 0до 40 °С.При совместном решении (3) и (4) получим выражение для температурного напора Θ: . (4) Таблица 1 Основные технические характеристики АВО Тип АВО газа Площадь оребренной поверхности, м2 Расход воздуха через один вентилятор АВО, кг/с Коэффициент теплопередачи, Вт/кг·м2 Мощность двигателя вентилятора, кВт Хадсон 11872 153,5 23,93 30,0 Крезо-Луар 10348 191,7 23,83 30,0 Ново-Пиньоне 11103 202,3 23,68 30,5 Обозначим через коэффициентыА и х: и. Тогда. КоэффициентА определяется при температурах воздуха Тв1на входе в вентилятор АВО при максимальной температуре газа на входе в нагнетательTК.Для каждого значения теплового напораΘ, определенного по зависимости (2) с помощью специальной математической программы на сайте WolframAlpha, определялись значения переменной x и далее рассчитывалась температура газа Т2 на выходе из АВО. Приведенные на рис. 3 (а, б) графические зависимости показывают характер изменениярассчитанной температуры газаt2 на выходе изАВО указанных типов в зависимости от температуры окружающего воздухаtв1. Горизонтальными линиями указаны диапазоны изменения температуры газа на выходе из АВО при температуре окружающего воздуха 10;15; 20 °C. Лучшими характеристиками обладает АВО «Крезо-Луар». Также для всех типов АВО охлаждение газа до температуры 15°Cвозможно только при температуре окружающего воздуха не выше 13-14 °С. Если температура наружного воздуха снижается в зимний период, то газ охлаждают до 15°C, отключая ряд секций АВО. При работе КЦ в летний период с уменьшенным расходом газа в МГ(например, при уменьшенной πКЦдо 1,22 иtГ =25°C) при температуре воздуха tв1выше 23 °Сприменение АВО неэффективно. Исходя из этого целесообразно проанализировать возможность использования на КС вместо АВО газоводяных охладителей с применением в них воды в качестве охлаждающего теплоносителя. Принципиальная схема ГПА с газоохладителем этого типа изображена на рис. 4. а б Рис. 3. Графики температур для трех типов АВО газа: а- πКЦ =1,22;б - πКЦ =1,44 АВО «Ново-Пиньоне» АВО «Хадсон» АВО «Кезо-Луар» Рис. 4. Схемагазоохладительной установки Газоперекачивающий агрегат снабжен газоводянымохладителем (ГО) с водяным теплоносителем. Нагретая в ГО вода при охлаждении газа, сжатого нагнетателем, поступает в испаритель(И), установленный на входе в компрессор. Он содержит разбрызгиватель горячей воды, орошаемые пластины с гидрофильным покрытием и водяную камеру (ВК) сбора неиспарившейся воды. Частичное испарение воды происходит за счет поглощения теплоты еепарообразования. Внутренняя теплота образовавшегося пара отводится к воздуху, всасываемому компрессором.При этом происходит охлаждение неиспарившейся воды с ее отводом в водяную камеру, связаннуютрубопроводом с газоохладителем. В установке подпиточной воды (ПВ) добавляется химически очищенная вода, компенсирующая отвод пара во всасывающий тракт компрессора.Паровая среда смешивается с воздухом, поступающим в компрессор. Для ГПА, установленных в компрессорных цехах ОАО «Газпром трансгаз Самара» (табл. 2), произведен расчет расхода охлаждающей воды, подаваемой в ГО и необходимой для поддержания требуемой температуры газа на выходе из ГО. Характер изменения температуры газа по трассе трубопровода зависит от ряда факторов. На температуругаза влияет температура грунта и эффект Джоуля - Томсона, в результате которого в летний период при снижения давления в газопроводе между компрессорными цехами в среднем на 2 МПа температурагаза уменьшается на 9-10°Си может оказаться ниже температуры грунта.Температура природного газа на входе в последующий компрессорный цех МГ должна быть выше точки росы.Температура природного газа на выходе из ГО принята на 10-12°С выше температуры точки росы. Количество теплоты Q1, отводимоеот природного газа в ГО: , где GГ - расход газа через центробежный нагнетатель, кг/с; срг- удельная изобарная теплоемкость газа,Дж/кг·К; ТН,Т2- температура газа на входе и выходе из ГО, К. Таблица 2 Технические характеристики ГПА, входящих в состав КЦ МГ Тип ГПА Тип ГТД Номинальная мощность ГПА, МВт Температура в цикле, К Степень повышения давления в ГТД Число работающих ГПА на номинальном режиме ГТК-10 ГТК-10-4 10,0 1053 4,6 3 гр. по 2 ГПА ГПА-Ц-16 НК-16СТ 16,0 1083 9,7 3 ГПА ГПА-Ц-6,3 НК-12 СТ 6,3 950 8,97 3 ГПА Расход охлаждающей воды в ГО Gводопределяется по уравнению теплового баланса: , где ср вод- удельная изобарная теплоемкость воды, Дж/кг·К; Твод1, Твод2 - температура охлаждающей воды на входе и выходе из испарителя, К. Приведенные в табл. 3 расходы воды,подаваемой в ГОкомпрессорного цеха, максимальны для одного работающего ГПА (или группы ГПА) и обеспечивают температуру ПГ на 10-12°С выше температуры точки росы. При увеличении производительности МГ и включении дополнительных ГПА расход охлаждающей воды будет увеличиваться. Таблица 3 Расчетные параметры ГО для КЦ Тип ГПА Номинальный расход ПГ через ЦН, кг/с Номинальный расход ПГ по КЦ, кг/с Мах расход воды 1 ГПА (1 гр. ГПА), кг/с Мах расход воды на КЦ, кг/с ГТК-10 311,8 935,5 166,7 500,1 ГПА-Ц-16 280,2 758,5 150,0 450,0 ГПА-Ц-6,3 85,0 230,0 45,0 135,0 При снижениипроизводительности магистрального газопроводаи соответственно степени повышения давления в ЦН расходы воды также снижаются, обеспечивая заданную температуру природного газа на выходе из ГО.Нагретая в газоохладителевода поступает в испаритель. В распылителе она разбрызгивается и подается на орошаемые гидрофильные пластины. При контакте этих пластин с воздухом, всасываемым компрессором, происходит частичное парообразование воды из гидрофильных пластин и испарительное охлаждение воды, нагретой в ГО. Теплоту, отводимую от испаряющейся воды к воздуху, можно определить по уравнению [7] , где GВ-расход воздуха, подаваемого в компрессор ГТД через испаритель, кг/с; r - удельная теплота парообразования, Дж/кг; срПар- удельная изобарная теплоемкость пара,Дж/кг·К; Тм- температура мокрого термометра, К, определяемая по [8]; dВЛ.В; dН - влагосодержание воздуха на выходе из испарителя и сухого воздуха на входе в испаритель, г/кг, определяемое по [7]. Массовый расход пара, необходимый для снижения температуры воды в водяной камере доtвод1 = 11-13 °С, определяется по уравнениютеплового баланса испарителя: . Предварительныйрасчет испарителя показал, что для снижения температуры воды на11-13 °Св нем должно испариться не менее 5 % подводимой горячей воды(табл. 4). Таблица 4 Рассчитанные параметры в испарителе при температуре окружающего воздуха +25 °С Тип ГПА Расход воздуха в ГТД, кг/с Мах расход воды 1 ГПА (1 гр. ГПА), кг/с Расход пара 1 ГПА(1 гр. ГПА), кг/с ТВОЗ на входе в компрессор, °С ГТК-10 84,5 166,74 8,4/4,2 24,0 ГПА-Ц-16 101,0 150,0 7,5 23,5 ГПА-Ц-6,3 60,5 45,0 2,3 24,0 Процесс теплообмена в испарителеопределяется равенством теплоты парообразования и отведенной теплоты от воздуха, поступающего в компрессор. Энтальпия влажного воздуха на входе в компрессор hвл.вопределяется по формуле , где hс.в- удельная энтальпия сухого воздуха, Дж/кг; hпар - удельная энтальпия пара, Дж/кг. На входе в компрессор ГТД происходит смешение воздуха с tв = 25 °С ипара с tпар = 11-13 °С.В результате смешения температура паровоздушной смеси снижаетсяна 1-2 °С, а ее теплоемкостьповышается в среднем на 10 %. В летний период при температурах воздуха выше 15 °С снижается мощность ГТД. На рис. 5а показано изменение абсолютной мощности нескольких типов ГПА, а на рис. 5б - их относительной мощности от температуры наружного воздуха. При повышении температуры воздуха от 15до 35 °Смощность ГПА снижается от 8 до 20 %в зависимости от типа их ГТД. а б Рис. 5. Зависимостьмощности (а) и относительной мощности (б) от температуры окружающего воздуха За счет увлажнения воздуха, поступающегов компрессор, происходит повышение мощности ГТД.В табл. 5указано изменение мощности и КПД ГТД для разных типов газоперекачивающих агрегатов. Таблица 5 Рассчитанные параметры ГТД при температуре окружающего воздуха +25°С Тип ГПА/ГТД Номинальная мощность ГТД, МВт Мощность ГТД при +25 °С, МВт Мощность ГТД При+25 °Сс ГОУ, МВт Номинальный КПД ГТД КПД ГТД при +25 °С КПД ГТД при +25 °С с ГОУ ГТК-10 ГТК-10-4 10,0 9,33 9,50 0,270 0,261 0,268 ГПА-Ц-16 НК-16СТ 16,0 14,60 15,30 0,260 0,237 0,251 ГПА-Ц-6,3 НК-12 СТ 6,3 5,62 6,02 0,296 0,287 0,294 Из теории тепловых двигателей известно, что влияние теплофизических параметров на показатели эффективностиГТД сложно и нелинейно. Для получения более высоких показателей эффективности необходимо оптимизировать термодинамические параметры газоохладительной установки с конкретным газотурбинным двигателем. Комплексный анализ эффективности применения представленного типа ГО в сочетании с испарителями во всасывающем тракте компрессора ГТД требует детального учета характеристик газоохладителя, испарителя, гидравлических потерь и теплофизических свойств рабочей среды. На основе проведенного предварительного термодинамического расчета газоохладительной установки можно сделать следующие выводы. Применение водяного газоохладителя в сочетании с испарительной установкой с орошаемыми пластинами с гидрофильным покрытием позволяет в летной период снизить температуру газа, подаваемого в МГ.Температура охлаждающей воды не зависит от температуры окружающего воздуха,а определяется термодинамическими параметрамииспарителя.Это дает возможность получения заданной, стабильной температуры технологического газа для подачи его в магистраль. Стабилизация температурного режима на всем протяжении магистрального газопровода позволит снизить мощности, затраченные на повышение давления в Н.Так как АВО являются основными потребителями электроэнергии собственных нужд КЦ, то исключениеих в летний период из технологического процесса позволит существенно снизитьпотребление электроэнергии.Увлажнение воздуха на входе в компрессор ГТД для принятых параметров позволит увеличить мощностьГТД порядка на 3-7 %.

About the authors

Leonid P Sheludko

Samara State Technical University

Ph.D. (Techn.), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation

Svetlana A Gulina

Samara State Technical University

Ph.D. (Techn.), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation

Irina Y Goryunova

Ural federal state technical university

Ph.D. (Techn.), Associate Professor 19, Mira str., Yekaterinburg, 620000, Russian Federation

Gleb V Vlasov

Ural federal state technical university

Student 19, Mira str., Yekaterinburg, 620000, Russian Federation

References

Supplementary files