Повышение энергоэффективности систем охлаждения газа на компрессорных станциях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Беркутов, Руслан Анварович

• Беркутов, Руслан Анварович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Беркутов, Руслан Анварович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИИ ABO И СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ.

1.1 Характеристики аппаратов воздушного охлаждения.

1.2 Совершенствование поверхности теплообмена и компоновки теплообменных труб.

1.3 Способы очистки внутренней поверхности теплообмена.

1.4 Способы очистки наружных оребренных поверхностей теплообменных труб.

1.5 Способы оценки экономической эффективности охлаждения газа на КС

1.6 Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ РАСЧЕТОВ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО

ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА.

2.1 Методика теплового расчета ABO с включенными вентиляторами.

2.2 Расчет ABO в режиме естественной конвекции.

2.3 Коэффициент эффективности ребра.

2.4 Гидравлический расчет ABO.

2.5 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОРЕБРЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИОННО -РЕГРЕССИОННОГО АНАЛИЗА.

3.1 Отбор факторных признаков и корреляционный анализ.

3.2 Регрессионный анализ и его результаты.

3.3 Определение качества анализа и проверка на адекватность уравнений регрессии.

3.4 Определение численных значений и динамики развития загрязнений оребренных поверхностей ABO.

3.5 Номограмма режимов работы ABO газа с учетом коэффициента загрязнения.

3.6 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ.

4.1 Тепловая эффективность аппаратов воздушного охлаяедения.

4.2 Коэффициент относительной тепловой эффективности.

4.3 Коэффициент энергетической эффективности.

4.4 Технико-экономические аспекты работы системы охлаждения газа

4.5 Дополнительные характеристики ABO газа.

4.6 Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА АППАРАТАХ

ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ.

5.1 Методика проведения экспериментальных исследований.

5.2 Результаты экспериментальных исследований.

5.3 Экономический эффект и обоснование периодичности чистки парка ABO.

5.4 Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергоэффективности систем охлаждения газа на компрессорных станциях»

В настоящее время топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является одной из устойчиво работающих производственных отраслей российской экономики. Он определяющим образом влияет на состояние и перспективы развития национальной экономики, обеспечивая: около 1/4 производства ВВП, 1/3 объема промышленного производства и доходов консолидированного бюджета России, примерно половину доходов федерального бюджета, экспорта и валютных поступлений, а лидирующие позиции в ТЭК страны занимает газовая промышленность.

Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. предусматривает дальнейшее увеличение добычи природного газа как для внутреннего рынка, так и для экспорта. К настоящему времени величина разведанных газовых месторождений в европейских регионах России и Западной Сибири достигает около 40-45%, в то же время Восточная Сибирь и Дальний Восток освоены только на 6-8%, а шельфы морей - лишь на 1%. При наиболее благоприятном варианте добыча газа может составить порядка 645-665 млрд.куб.м в 2010 г. и возрасти до 710-730 млрд.куб.м к 2020 г. Газовая промышленность сохранит за собой первенство в топливно-энергетическом комплексе страны, а стратегически приоритетными районами добычи газа останутся Западная Сибирь и месторождения Баренцева моря. Доля природного газа в потребляемых первичных топливно-энергетических ресурсах хотя и снизится с 50% в 2000 г. до 46% в 2020 г., но все же останется высокой, т.к. природный газ в 3 раза дешевле топочного мазута и в 1,6 раз дешевле угля.

В газовой промышленности с целью повышения эффективности [88, 104, 105, 112] ее функционирования предусматривается внедрение новейших достижений научно-технического прогресса, связанных с использованием прогрессивных технологий бурения, добычи, транспортировки и переработки газа, совершенствованием газотранспортной системы, повышением энергоэффективности транспорта газа, размеров, систем аккумулирования его запасов, а также технологий сжижения газа и его транспортировки.

Все эти меры предусматривают дальнейшее увеличение стоимости единицы природного газа как для внешнего, так и для внутреннего рынка, следовательно, вопрос об энергосбережении для газовой отрасли остается наиболее актуальным.

Модернизация газотранспортной системы с целью повышения энергетической эффективности и безопасности предусматривает создание высоконадежных коррозионно-стойких труб для магистральных газопроводов, использование новейших энергосберегающих технологий утилизации теплоты дымовых газов ГТУ, а также оптимизация режимов работы систем охлаждения и компримирования газа.

Целью диссертационной работы является повышение энергоэффективности и снижение эксплуатационных затрат в системах охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Основные задачи исследований:

• разработка дополнительных критериев оценки эффективности ABO и их определение при загрязнении наружных поверхностей;

• разработка метода расчета оптимальной глубины охлаждения газа при номинальных режимах работы газопровода для снижения эксплуатационных затрат;

• разработка опытно-промышленной установки гидродинамической чистки загрязненных поверхностей и определение периодичности их очистки с наибольшим экономическим эффектом.

Методы исследований

Решение поставленных задач осуществлялось путем теоретических и экспериментальных исследований, для которых использовались статистические данные и информация, полученная с помощью стандартных средств и методов измерений в условиях эксплуатации. Эксперименты проведены на промышленных объектах. Обработка данных произведена с применением математической статистики, теории вероятностей и вычислительной техники.

На защиту выносятся теоретические, экспериментальные исследования и практические рекомендации по оптимальной эксплуатации ABO газа на КС МГ.

Научная новизна:

• получены полуэмпирические уравнения для расчета коэффициента эффективности ребра с учетом поправочного коэффициента в зависимости от температуры наружного воздуха для основных типов ABO газа;

• предложен метод прогнозирования динамики развития загрязнений оребренных поверхностей методом корреляционно-регрессионного анализа диспетчерских данных;

• разработаны дополнительные критерии оценки тепловой, энергетической и экономической эффективности работы системы охлаждения газа в условиях эксплуатации с учетом загрязнений оребренных поверхностей теплообмена;

• разработан метод определения оптимальной глубины охлаждения газа, учитывающий технологические характеристики силового оборудования и экономические показатели.

Практическая ценность работы

• разработан метод расчета периодичности чистки и экономического эффекта;

• даны рекомендации по выбору оборудования и проведению очистки оребренных поверхностей теплообмена ABO гидродинамическим методом и реализованы на КС-11 Богандинского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Сургут», доказана высокая эффективность данного способа;

• предложена блок-схема программного обеспечения, позволяющего принимать оперативные решения по изменению режимов работы вентиляторов

ABO с целью достижения оптимальной глубины охлаждения газа и максимального экономического эффекта.

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на:

• Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2008; 2009 гг.);

• Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (Тюмень, 2008; 2009 гг.);

• Всероссийской научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2008г.);

• Всероссийской конференции «Молодежная наука и инновации» (Челябинск, 2008 г.);

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири» (Тюмень, 2009 г.);

• Нефтегазовый форум. XVIII Международная специализированная выставка «Газ. Нефть. Технологии - 2010» (Уфа, 2010 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в реферируемых изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и семи приложений; содержит 173 страницы машинописного текста, в том числе 25 таблиц, 36 рисунков. Список использованной литературы включает 126 наименований.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Беркутов, Руслан Анварович

4.6 Выводы по главе 4

1. Приведены основные энергетические характеристики, используемые для оценки эффективности работы ABO газа. Осуществлен расчет этих характеристик для основных типов аппаратов на КС МГ. Разработаны рекомендации по применению данных критериев в условиях промышленной эксплуатации и на стадии проектирования.

2. Предложены дополнительные характеристики ABO, учитывающие удельные затраты энергии и позволяющие оценить аппараты различных марок на стадии проектирования.

3. Разработан метод определения оптимальной глубины охлаждения газа в ABO и экономического эффекта процесса чистки аппарата в зависимости от сокращения расхода топливного газа ГТУ. Введено понятие коэффициента экономической эффективности ABO, произведено сопоставление расчетных и действительных значений. Предложена блок-схема программного обеспечения,

103

5.1 Методика проведения экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях на КС-11 Богандинского ЛПУ МГ ООО "Газпром трансгаз Сургут" ОАО "Газпром" газопровода Уренгой-Сургут-Челябинск 11 августа 2009 года с 8:00 до 17:00. В проведении эксперимента принимали участие двое студентов кафедры "Промышленная теплоэнергетика" ТюмГАСУ.

КС-11 состоит из двух компрессорных цехов КЦ-1 и КЦ-2 оснащенных парками ABO фирм "Ничимен" (28 вентиляторов) и "Крезо-Луар" (30 вентиляторов). Для проведения исследований были выбраны ABO фирмы "Ничимен", их характерной особенностью является высокий коэффициент оребрения и расположение вентиляторов непосредственно над трубным пучком. Выбор данной модели объясняется широким применением аналогичных аппаратов на КС ("Хадсон", "Нуово-Пиньоне"). Отметим, что все аппараты были в равной степени загрязнены пылью и растительным пухом, а с момента предыдущей чистки пароструйным методом прошло четыре месяца.

Целью экспериментальных исследований являлось:

• проведение очистки оребренных поверхностей ABO гидродинамическим методом, испытание конструкции гидродинамической насадки, определение качества чистки;

• разработка рекомендаций по проведению чистки ABO и экспериментальное определение оптимального угла наклона гидродинамической струи;

• определение экономического эффекта и обоснование периодичности чистки ABO.

Предварительное исследование включало в себя опрос эксплуатационного персонала и ознакомление с документацией.

Очистку межтрубного пространства ABO газа в большинстве случаев проводят промывкой с помощью пожарных брандспойтов, что обеспечивает

105 отмыв от пыли на 20-50 % и практически не обеспечивает удаления - растительной составляющей (травы, пуха и т.д.). Вторым распространенным методом очистки является пропаривание, вследствие которого возможно ухудшение теплоотдачи из-за "спекания" или уплотнения загрязнений межтрубного пространства [33, 49, 75, 76]. Используются также методы пескоструйной очистки.

За рубежом проблемы очистки от отложений (загрязнений) различного оборудования в большинстве случаев решают с помощью высоконапорных струй жидкости [25, 122].

Вследствие высокого коэффициента оребрения труб и значительного количества рядов в ABO очистка струями с недостаточным давлением (отмыв с помощью пожарных брандспойтов или пропаривание) не обеспечивает полного удаления загрязнителей и в первую очередь органической составляющей. Повышение скорости струйного потока выше критического значения может приводить к деформированию оребрения, а в случае возникновения резонансных колебаний труб при очистке - к их деформации и нарушению герметичности. Использование в струйном потоке абразивов или химических реагентов повышает себестоимость работ по очистке.

Для решения задачи очистки трубного и межтрубного пространства ABO Краснодарского УПХГ ООО «ГАЗПРОМ ПХГ» в 2006^2008 гг. к.т.н., доцент КубГТУ Омельянюк М.В. проводил экспериментальные и опытно-промышленные исследования технологии гидродинамической высоконапорной очистки межтрубного пространства ABO газа. Определялись оптимальные технологические параметры струйного воздействия и технических средств, предназначенных для реализации технологии гидродинамической очистки. Экспериментально было определено оптимальное сочетание напорных и расходных характеристик, которое обеспечивает качественную гидродинамическую очистку оребрения всех рядов труб ABO без нарушения их целостности и повреждения оребрения [75,76]. Использовалась водопроводная вода без добавок химреагентов. Для эффективного удаления загрязнителей потребовалось проведение очистки в два этапа. Оценка эффективности чистки

106 проводилась визуальным методом.

Высоконапорная гидродинамическая чистка является более предпочтительным вариантом, так как ее себестоимость достаточно мала. Полученные Омельянюком М.В. зависимости и рекомендации были учтены для проведения эксперимента по гидродинамической чистке ABO газа "Ничимен" на КС-11 Богандинского ЛПУ и проектированию гидродинамических насадок.

В качестве насосного агрегата использовали установку Karcher HDS 798 Eco с производительностью 750 л/ч и давлением 18,0 МПа.

Спроектированная гидродинамическая насадка состоит из двух участков: конический сходящийся порядка 10-30 мм длиной, угол конуса 13-14°, затем -цилиндрический участок длиной примерно 3 диаметра (рис. 5.1). Необходимым условием является перепад давления на насадке порядка 7,0-8,0 МПа, с учетом потерь по шлангу и в пистолете общее давление агрегата должно составлять от 12,0 до 18,0 МПа. Зависимость диаметра сопла насадки от производительности насосного агрегата представлена на рисунке 5.2.

Вид А

В процессе эксперимента измерялась температура газа и воздуха на входе и выходе аппарата воздушного охлаждения, расход воздуха принимался по паспортной производительности вентиляторов, а расход природного газа вычислялся исходя из данных диспетчера с учетом равномерного распределения по всем аппаратам.

Измерения проводили на одном ABO, поэтому данные снимали не меньше, чем через один час после включения вентиляторов для достижения стабильного режима.

5000

4500

I 4000 3500

1 3000 £

5 2500

I 2000 о 1500 о. 1000 500 0

Рисунок 5.2 - Зависимость диаметра сопла насадки от производительности насосного агрегата

Температура газа измерялась ртутными термометрами, установленными в маслонаполненных стаканах. Цена деления термометров равна 1°С.

Для измерения температурных полей воздушной среды до и после гидродинамической чистки были использованы кабельные термоэлектрические преобразователи ТХК 0006 в количестве 32 штук и многоканальный измеритель температуры ИТ-2. Прибор измеряет температуру в интервале от -40 до +600°С с точностью ±0,5°С и разрешением 0,1 °С. Термоэлектрические преобразователи были равномерно распределены по всей плоскости аппарата, поэтому температуру воздуха на выходе из аппарата определяли как среднеарифметическое, что обеспечивает достаточную точность и незначительное расхождение, менее 0,5°С, с экспериментальными данными [49]. Показания записывались с интервалом в десять минут в течение часа и усреднялись.

5.2 Результаты экспериментальных исследований

Производительность процесса гидродинамической очистки ABO зависит как от прочностных свойств и объема загрязнений, так и от силы динамического

108

1,6 2,8 4

Диаметр сопла насадки, мм воздействия, т.е. от силы удара струи по загрязненной поверхности. Поэтому целью настоящего эксперимента являлось не только определение качества и экономичности гидродинамической чистки, но и оптимального угла наклона гидродинамической струи.

Были изучены четыре угла наклона: 90°, 60°, 45° и 30° (рисунок 5.3) по отношению к плоскости аппарата и изготовлены соответствующие шаблоны. Эффективность чистки оценивалась визуальным методом по нижним рядам оребренных труб ABO.

Аппарат воздушного охлаждения "Ничимен" состоит из шести рядов оребренных труб, при этом загрязнениям в основном подвержены первые четыре ряда по ходу движения воздуха. При углах наклона 90°, 45° и 30° происходит дробление, и потери напора струи уже на пятом, четвертом ряду. При этом загрязнения нижних рядов практически остаются неизменными.

Экспериментально определен оптимальный угол наклона (рисунок 5.4) гидродинамической струи для ABO "Ничимен", который составил 63° по отношению к плоскости аппарата, перпендикулярно осям труб и параллельно плоскости оребрения. Чистку проводили сверху вниз. В этом случае гидравлическое сопротивление системы сведено к минимуму и обеспечивается полное очищение первых рядов без замятия ребер. Определение угла наклона струи геометрическим путем в зависимости от шага труб в пучке дает аналогичный результат.

Ничимен"

Теоретически определенные углы наклона для различных типов ABO приведены в таблице 4.10.

В процессе эксперимента измеряли температуру воздуха на выходе из аппарата. Данные записывались с интервалом десять минут в течение часа. До чистки с 10:20 до 11:20, после чистки с 14:00 до 15:00.

Температурные карты и точки замера до и после чистки представлены на рисунках 5.5 и 5.6. Температурные поля на рисунках 5.7., 5.7.1. и 5.8.,5.8.1.

В таблице 5.1 представлены параметры газа и воздуха до и после чистки.

Сопоставив данные из таблицы 5.1 с динамикой развития загрязнений оребренной поверхности теплообмена ABO (таблица 3.7) отметим, что коэффициент теплопередачи загрязненного аппарата на момент проведения эксперимента составил 7,8550 Вт/(м2 К) , а чистого 8,9250 Вт/(м2К), что подтверждает предложенную динамику развития загрязнений

4,51 +16,369 +17,508 +18,031 + 5,154) • 10"5 = 0,000616 (м2 К) / Вт а небольшие различия объясняются неудовлетворительным качеством предыдущей чистки и

110 Т os О VO

00 00

I г\ 00 m r» ON 4 XjT

4, 00

ON у—К OS y—i loo о ogX t os (N CN 00

CN os г-Н «v гч -Si r\ Os r-H

1-н / О 00 \oo я CN CN r-H <N

А Os

ON\ t—(\ r-H es CN CN

Os у—кУ* < Z>

Os у—К Os r-H CN o <N

Рисунок 5.5

- Температурная карта и точки замера до гидродинамической чистки ABO "Ничимен"

21,5 2^3- 21,0 20,5 14 19,0

21 /в 22,9 22,7 21,2 20Í 20,2 19,3 Vo

21^ 22,9 22,9 2ok 20,1 19,6 l¿,2

21,5 2^ -2^4 21,3 19,4 19,0

Ось X

- Температурное поле до гидродинамической чистки ABO "Ничимен"

Рисунок 5.7

Рисунок 5.7.1 - Температурное поле до гидродинамической чистки о

-1 О

О 3

ABO "Ничимен"

Ось X

0 3 4 6 J-1II

Рисунок 5.8 - Температурное поле после гидродинамической чистки

ABO "Ничимен"

Рисунок 5.8.1 - Температурное поле после гидродинамической чистки

ABO "Ничимен"