Газоохладительная установка для компрессорныхцехов магистральных газопроводов

Полный текст

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 %.

Об авторах

Леонид Павлович Шелудько

Самарский государственный технический университет

(к.т.н., доц.), доцент кафедры «Управление и системный анализ теплоэнергетических и социотехнических комплексов» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Светлана Анатольевна Гулина

Самарский государственный технический университет

(к.т.н., доц.), доцент кафедры «Трубопроводный транспорт» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Ирина Юрьевна Горюнова

Уральский федеральный технический университет

(к.т.н., доц.), доценткафедры «Турбины и двигатели» Россия, 620000, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Глеб Владиславович Власов

Уральский федеральный технический университет

студент Россия, 620000, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Список литературы

Дополнительные файлы