Разработка методов расчета эффективности работы теплообменных аппаратов компрессорных станций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Хамидов, Александр Сайдаланович

• Хамидов, Александр Сайдаланович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хамидов, Александр Сайдаланович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

1.1. Конструкции аппаратов воздушного охлаждения газа.

1.2.Тепловой расчет аппаратов воздушного охлаждения газа.

1.3. Конструкция регенератора.

Выводы по разделу

РАЗДЕЛ 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

2.1. Жизненный цикл теплообменного аппарата.

2.2. Особенности эксплуатации и переменные режимы работы теплообменных аппаратов.

2.3. Обоснование достоверности новых формул теплового расчета.

Выводы по разделу 2.

РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АППАРАТОВ.

3.1. Погрешности измерений.

3.2. Сбор информации по термогазодинамическому состоянию регенераторов.

3.3. Разработка методики теплового расчета секции регенератора в эксплуатационных условиях.

3.4. Методика исследования аппаратов, эксплуатирующихся на компрессорных станциях.

3.5. Разработка методики расчета аппаратов воздушного охлаждения газа.

Выводы по разделу 3.

РАЗДЕЛ 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИ

ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

4.1. Технико-экономическая эффективность при внедрении методов и средств контроля и диагностики теплообменных аппаратов.

4.2. Технико-экономическая эффективность работы систем охлаждения газа.

Выводы по разделу 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчета эффективности работы теплообменных аппаратов компрессорных станций»

Современный транспорт газа развивается в направлении уменьшения энергозатрат с одновременной интенсификацией технологических процессов, связанных с увеличением объемов транспортируемого газа. В связи с этим при эксплуатации теплообменных аппаратов (ТА) происходит существенное увеличение перепадов давлений, градиентов температур, скоростей движения теплоносителей и т.п., что вызывает увеличение энергозатрат, особенно при неудовлетворительном состоянии ТА. При этом требования к надежности и эффективности длительного функционирования теплообменных аппаратов постоянно растут.

Надежность и эффективность ТА на компрессорных станциях (КС) проявляется в эксплуатации различным образом. Отказы в работе теплообменных аппаратов вызывают постоянное (во времени) снижение технико-экономических показателей работы газоперекачивающих агрегатов (ГПА), не вызывая их аварийного останова. Вместе с тем, массогабаритные характеристики теплообменного оборудования сопоставимы, а иногда и превосходят подобные показатели основного оборудования. В силу этого технико-экономический аспект проблемы оценки эффективности работы ТА является актуальной задачей, также, как и решение проблемы повышения их надежности.

Анализ литературы по вопросам определения эффективности работы теплообменных аппаратов показал, что, наряду с рассмотрением в научно -технической литературе отдельных вопросов проблема эффективности работы теплообменных аппаратов до сих пор не закрыта.

Известные в настоящее время результаты исследований по вопросам эффективности газотранспортного оборудования в основном посвящены газотурбинным и электрическим двигателям, центробежным нагнетателям и мало затрагивают вспомогательное оборудование, в том числе теплообменные аппараты.

Анализ состояния ТА показывает, что основными дефектами для аппаратов воздушного охлаждения (ABO) газа является увеличение гидравлического сопротивления трубного пучка из-за различных отложений, уменьшение коэффициента теплопередачи как от газа к трубам, так и от трубок к ребристой поверхности и от нее к воздуху, из-за загрязнения листьями, пылью, песком ребер. Для регенераторов основными дефектами является утечка воздуха в теплообменных элементах из-за их растрескивания в результате термоусталостных напряжений, снижение коэффициента теплопередачи из-за загрязнений различного рода.

В связи с этим несомненна актуальность исследований, направленных на изучение режимов работы теплообменных аппаратов с целью получения научно обоснованных результатов для оценки эффективности работы ТА, а также для модернизации методик в условиях эксплуатации.

Объектом исследования являлись теплообменные аппараты компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов Западной Сибири.

Предмет исследования: ABO газа (2АВГ-75-С) и пластинчатые регенераторы агрегатов ГТК - 10-4, эксплуатирующиеся на КС.

Цель: оценка эффективности работы регенераторов и ABO газа в результате адаптации существующих и разработки новых методов для расчета параметров теплообменных процессов, происходящих в ТА.

Задачи исследований:

- провести анализ конструкций и методик теплового расчета аппаратов для определения их недостатков и причин увеличение энергозатрат на транспорт газа;

- выполнить аналитическое обоснование достоверности новых формул расчета показателей теплообменных процессов, происходящих в ТА;

- разработать методику расчета пластинчатого регенератора, которая содержит: экспериментальную схему с расходомерами воздуха и продуктов сгорания; алгоритм с усовершенствованными и новыми формулами;

- адаптировать методику расчета пластинчатого регенератора для определения показателей эффективности работы ABO газа, которая включает штатную схему измерений параметров: температур, давлений, расходов теплоносителей;

- обосновать повышение эффективности работы ТА: от промывки трубного пучка ABO газа; от внедрения методов контроля и диагностики утечек воздуха в регенераторе.

Обоснованность и достоверность исследований. Методологическими основами исследований являются известные законы и методы теории тепломассообмена, технической термодинамики и теплопередачи, экономико-математические методы. Достоверность обеспечивается сопоставлением полученных результатов с другими результатами, известными в научной и справочной литературе, использованием метрологически обеспеченной измерительной аппаратуры.

Связь с тематикой научно - исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась в рамках целевой комплексной программы «Нефть и газ Западной Сибири», программы «Энергетическая стратегия России», целевой комплексной программы по созданию отраслевой системы диагностического обслуживания газотранспортного оборудования КС РАО «Газпром» и Федеральной целевой программы «Энергосбережение России».

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- обоснована достоверность адаптированных и новых формул для теплового расчета теплообменных аппаратов компрессорных станций;

- разработаны и адаптированы методики для расчета параметров теплообменных процессов, происходящих: в длительно эксплуатируемых пластинчатых регенераторах; в ABO газа с учетом различных сезонов года; усовершенствованы методики расчета технико-экономической эффективности ТА: от внедрения систем контроля и диагностики утечек воздуха в регенераторе; от промывки трубного пучка ABO газа.

На защиту выносятся разработанные и усовершенствованные методики расчета режимов работы и эффективности теплообменных аппаратов по заводским и эксплуатационным данным.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что разработанные алгоритмы контроля режимов работы ТА использованы для создания методик оценки технико-экономической эффективности эксплуатации ТА на КС. При внедрении методик эксплуатационный и ремонтный персонал имеет возможность отслеживать тренд (изменение) основных теплотехнических параметров в зависимости от технического состояния ТА и своевременно может принимать меры для его восстановления.

Личный вклад автора. Разработаны и усовершенствованы алгоритмы расчета режимов работы регенераторов и ABO газа, позволяющие по изменениям параметров определять основные показатели аппаратов (коэффициент теплопередачи, поверхность теплообмена, коэффициент эффективности теплообмена и др.), а с учетом накопления банка' данных прогнозировать предельные значения срока эксплуатации до ремонта.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на региональных научно - практических конференциях 2005г. - 2007г., на расширенных заседаниях кафедры «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» 2007г. - 2008г., на технических совещаниях в ООО «Газпром трансгаз Сургут» 2005 - 2008гг. Опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 153 страницах машинописного текста и, 16 рисунков, 20 таблиц и 2 приложения. Содержит введение, четыре раздела, общие выводы, список литературы из 86 наименований.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Хамидов, Александр Сайдаланович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обосновано, что увеличение энергозатрат на транспорт газа связано с перерасходом электроэнергии на привод вентиляторов ABO газа, с затратами мощности на прокачку газа при увеличении гидравлического сопротивления трубного пучка, а значит, с перерасходом топливного газа. По пластинчатым регенераторам увеличение энергозатрат связано с перерасходом топливного газа по причине утечек воздуха и снижения коэффициента теплопередачи.

2. Выявлено, что по существующим методикам допускаются ошибки при расчетах коэффициента теплоотдачи от газа к стенке теплообменного элемента ABO газа, когда не учитывается влияние давления газа на его теплофизические свойства; при расчете коэффициента теплоотдачи от оребренной поверхности воздуху не всегда учитывается критерий Био. По пластинчатым регенераторам основной недостаток существующих методик в том, что расчет можно выполнять только задаваясь расходами теплоносителей и коэффициентом регенерации. В случае утечек воздуха методики дают некорректные результаты.

3. Разработанная методика расчета пластинчатого регенератора включает экспериментальную схему с расходомерами воздуха и продуктов сгорания, содержит в своем алгоритме усовершенствованные и новые формулы для расчета водяного эквивалента поверхности теплообмена, скорости теплоносителей, площади теплообмена, коэффициента теплопередачи. В методике не требуется расчет критериев Рейнольдса, Нуссельта, Прандтля, коэффициентов теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке пластины и от неё к воздуху.

4. Адаптирована методика расчета пластинчатого регенератора для определения показателей эффективности работы ABO газа, которая включает штатную схему измерений параметров и содержит в своем алгоритме усовершенствованные и новые формулы.

5. Доказано повышение эффективности работы ABO газа от промывки трубного пучка. Использование усовершенствованной методики технико экономического расчета позволил оценить эффект в размере 1,7 млн. руб/год, а для восьми регенераторов в результате внедрения методов контроля и диагностики фактический эффект составил 2,5 млн. руб/год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хамидов, Александр Сайдаланович, 2009 год

1. Аронсон К.Э., Блинков С.Н., Брезгин В.И и др. Теплообменники энергетических установок. Екатеринбург: изд-во «Сократ», 2002,-968с.

2. Бахмат Г.В., Ереман Н.В., Степанов O.A. Аппараты воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях. С-Пб.: Недра, 1994, 102с.

3. Антуфьев В.М., Гусев Е.К. и др. Теплообменные аппараты из профильных листов. Л.: Энергия, 1972,-128с.

4. Козаченко А.Н., Никишин В.И., Поршаков Б.П. Энергетика трубопроводного транспорта. М.: Изд-во «Нефть и газ» РТУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001,-400с.

5. Котляр И.В. Переменный режим работы газотурбинных устоновок.М.: Машгиз, 1961,-23 0с.

6. Погодин С.И. Применения метода малых отклонений для расчета и анализа рабочего процесса транспортных газотурбинных двигателей М.: ЦНИИ информации, 1971,-296с.

7. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С.Эффективные поверхности теплообмена. М.;Энергоиздат, 1998,-408с.

8. Берман С.С. Расчет теплообменных аппаратов турбоустоновок. М.; Л.; Госэнергоиздат, 1968,-240с.

9. Мигай В.Г. Повышение эффективности современныхтеплообменников. Л.: Энергия, 1980,-144с.

10. Степанов O.A., Иванов В.А. Охлаждение масла на компрессорных станциях. Л.: Недра, 1982,-143с.

11. Елисеев Ю.С., Манушин Э.А., Михальцев В.Е и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2000,-640с.

12. ГОСТ 20440-75. Установки газотурбинные. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1975,-23с.

13. Арсеньев Г .В., Белоусов В.П., Дранченко A.A. Тепловое оборудование и тепловые сети. М.:Энергоатом издат. 1988,-400с.

14. Бродов Ю.М., Аронсон К.Э., Бухман Г.Д. и др. Повышение эффективности и надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок. Екатеринбург: УГТУ, 1996,-298с.

15. Ольховский Г.Г Энергетические газотурбинные установки.

16. М.: Энергоатом изд. 1985,-304с.

17. Зингер Н.М., Тарадай A.M., Бармина JI.C. Пластинчатые теплообменники в системах теплоснабжения, М.: Энергоатом издат, 1995,-256с.

18. Крылов Г.В., Матвеев A.B., Степанов O.A., Яковлев Е.И. Эксплуатация газопроводов Западной Сибири. — JL: Недра, 1985,-285с.

19. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов В.А. Термодинамика и теплопередача (в технических процессах нефтяной и газовой промышленности). М.: Недра, 1987,-3 52с.

20. Гусаков A.A. Организационно-технологическая надежность строительного производства. -М.: Стройиздат, 1974. 254с.

21. Дедешкин В. Н. Методика испытания и исследования котельных установок. -М.: Машгиз, 1947. 160 с.

22. Диагностика трубопроводов "85. - Материалы международной конференции. - М.: Энергоиздат, 1985 - 530 с.

23. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надёжности систем. М.: Мир, 1984. - 318 с.

24. Дубинский В. Т., Седых 3. С. Определение оптимальной наработки ГТУ до ППР/ Транспорт и хранение газа. 1976. - №12. - С. 7-11.

25. Евланов JI. Г. Контроль динамических систем. М.: Наука, 1972. -423 с.

26. Ерёмин Н. В., Степанов О. А, Яковлев Е. И. Компрессорные станции магистральных газопроводов (надёжность и качество) СПб.: Недра, 1995. -335с.

27. Жоховский М. К. Техника измерения давления и разрежения. М.: Машгиз, 1952. - 140 с.

28. Яковлев Е.И., Иванов В.А., Крылов Г.В., Системный анализ газотранспортных магистралей Западной Сибири. -Новосибирск: Наука, 1989, -301с.

29. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. 440 с.

30. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1968. 496 с.

31. Жукаускас А., Улинскас Р., Катинас В. Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб. Вильнюс: Мокслас, 1984. 312 с.

32. Теплообменное оборудование. Каталог. М.: НИИЭинформэнергомаш, 1977.4. 2, 18-2-76. 193 с.

33. РТМ 108.020.126-80. Методика расчета и проектирования охладителей масла для систем маслоснабжения турбоустановок. JL: ЦКТИ, 1982. 76 с.

34. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник /А.Н. Бессонный, Г.А. Дрейцер, В.Б. Кунтыш и др. Под редакцией В.Б. Кунтыша и А. Н.Бессонного.СПб.: Недра, 1996. 512 с.

35. Вукалович М.П., Ривкин C.JL, Александров A.A. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Издательство стандартов, 1969.408 с.

36. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

37. Регенераторы для газоперекачивающих станций. Каталог. Подольск: Изд. Подольского машиностроительного завода, 1997. 4 с.

38. Утилизация теплоты приводных газотурбинных установок /И.Л. Юращик, Л.Ф. Глущенко, A.C. Маторин, A.A. Бадамян. Киев: Техника, 1991. 220 с.

39. Бажан П.И., Каневец Г.М., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989. 366 с.

40. Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1971. 358 с.

41. Справочник по теплообменникам: В 2 т./ Пер. с англ. Под ред. О.Г. Мартыненко и др.М.: Энергоатомиздат, 1987. т. 2. 352 с.

42. Денисов В.И. Технико-экономические расчеты в энергетике: Методы экономического сравнения вариантов. М.: Энергоатомиздат, 1985. С. 20-50.

43. Оценка экономической эффективности модернизации энергетического оборудования / Козьмина З.Ю., Бродов Ю.М., Домников А.Ю., Плотников П.Н., Домникова JI.B. // Электрические станции, 2003, № 12. с. 22-26.

44. Альтшуль А.Д., Гидравлические сопротивления. М., Недра, 1970. 216 с.

45. Белоконь Н.И. Ребристые трубы. Локомотивостроение, 1937, № 9, с. 22-43.

46. Матвеев А.В.Типовые термодинамические задачи трубопроводного транспорта природных газов.- Тр. МИНХ и ГП, 1975, вып. 114, с. 79-88.

47. Методика теплового и аэродинамического расчета аппаратов воздушного охлаждения воды. М., ВНИИнефтемаш, 1971. 318 с.

48. Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов./ Р.Н. Бикчентай, А.А. Вассерман, А.К. Трошин и др. Справочное пособие. М., Недра, 1980. 320 с.

49. Петухов Г.Б., Якунин В.И. Методические основы внешнего проектирования целенаправленных процессов и целеустремленных систем. -М.: ACT, 2006,-504с.

50. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., Энергия, 1977. 344 с.

51. Волков М.М., Михеев A.JL, Конев К.А. Справочник работника газовой промышленности. М.: Недра, 1989. 286 с.

52. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Нефть и газ, 1999. 463 с.

53. Бекнев B.C., Леонтьев А.И., Шабаров А.Б. и др. Газовая динамика. Механика жидкости. М., Изд.-во МГТУ, 1997. - 671 с.

54. Бобровников Г.Н., Новожилов Б.М., Сарафанов В.Г. Бесконтактные расходомеры. — М.: Машиностроение, 1985.

55. Богданов Г.П., Кузнецов В.А., Лотонов М.А. и др. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники / Под ред. Кузнецов В.А. — М.: Мир, 1989. 196 с.

56. ГОСТ 30319. 1-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение физических свойств природного газа, его компонентов и продуктов его переработки. М.: Изд - во стандартов, 1997. -16 с.

57. ГОСТ 30319. 2-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости. М.: ИПК изд-во стандартов, 1997. - 53 с.

58. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. -4-е изд., перераб. И доп. Л.: Машиностроение, 1989; — 701 с.

59. Методические указания. Расход жидкостей и газов. Методика выполнения измерений с помощью специальных сужающих устройств: РД 50-411-83.-М.: Изд-во стандартов, 1984. -52 с.

60. Сосновский А.Г., Столярова Н.И. Измерение температур. — М.: Изд во стандартов, 1970;

61. Тойберт П. Оценка точности? результатов измерений: Пер. с нем. Под ред. Е.И. Сычева. М): Энергоатомиздат, 1988. - 88 с.

62. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.-М;: Энергоатомиздат, 1990.-336 с.

63. Лебедев П:Д. Тешюобменные,. сушильные и холодильные установки. М., Энергия, 1972.318 с.

64. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов . теплообмена. М., Энергия, 1979. -320 с.

65. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева.- М.: Высшая школа, 1979.-495 с.

66. Теплотехника Под ред. В.И. Крутова. -Машиностроение, 1986. — 432 с.

67. Зингер Н.М., Любарская А.И., Тарадай A.M. Опыт применения пластинчатых теплообменников в системах теплоснабжения за рубежом // Энергохозяйство за рубежом. 1984. №1. с. 17-21.

68. Зингер Н.М., Бармина Л.С., Тарадай A.M. Тепловые характеристики теплообменных аппаратов // Теплоэнергетика. 1985. № 5.с. 46 51.

69. Калафати Д.Д., Попалов В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена, М.: Энергоатомиздат, 1986. -120с.

70. Коваленко Л.М., Никитина О.М. Новые конструкции теплообменного оборудования из листовых материалов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1971.-150с.

71. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 130с.

72. Пластинчатые теплообменные аппараты. Каталог. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990.-198с.

73. Ионин A.A., Газоснабжение. М.: Стройиздат,1989, 439 с.

74. Микаэлян Э.А. Техническое обслуживание энерготехнического оборудования, газотурбинных газоперекачивающих агрегатов системы сбора и транспорта газа. Методология, исследования, анализ и практика М.: Топливо и энергетика, 2000. -314с.

75. Микаэлян Э.А. Эксплуатация газотурбинных газоперекачивающих , агрегатов М.: Недра, 1994. - 304 с.

76. Крылов Г. В:, Чекардовский М. Н., Яковлев Е. И., Блошко Н. М. Техническая диагностика газотранспортных магистралей. Киев.: Наукова думка, 1990.-301 с.

77. Хамидов A.C., Тепловой расчет теплообменных аппаратов / В.А. Иванов, М.Н. Чекардовский, К.Н. Илюхин // Известия ВУЗов. Нефть и газ. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. № 1. - С. 44 - 49.

78. Хамидов A.C. Технико-экономическая эффективность работы систем охлаждения газа / М.Н. Чекардовский, А.Г. Салмин // Материалы Всероссийской

79. НПК « Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири »: Тюмень: ООО «РИФ «КоЛеСо», 2007. С. 119-123.