Проектирование компрессорного цеха

Охлаждение  газа на станции после компримирования приводит к уменьшению средней температуры газа на входе в следующую КС, увеличению давления газа в конце линейного участка газопровода, уменьшению степени сжатия на следующей станции при условии сохранения постоянного давления на выходе и, как следствие, снижению энергозатрат на компримирование газа на следующей станции.

Расчеты показывают, что при охлаждении газа, например, от 50 - 55°С до 25 - 30°С, пропускную способность газопровода можно увеличить на 4 - 5%. Обычно температура охлаждения газа при включении или отключении одного АВО, как показывает практика их эксплуатации, изменяется в среднем на 0,5 -1,5°С. Гидравлические сопротивления по газу в АВО находятся на уровне 0,03 - 0,06 МПа.

В первом приближении  изменение пропускной способности  газопровода при изменении температуры  газа в нем можно оценить следующим уравнением

 

где Q₁ и Q₂ — пропускная способность линейного участка газопровода между соседними КС соответственно при средней абсолютной температуре газов на рассматриваемом участке Т_ср1 и Т_ср2,  Т_ср1< Т_ср2.

Анализ технологии транспорта газов с использованием АВО показывает, что снижение температуры  газа на входе в последующую станцию, приводя к снижению энергетических затрат на компримирование газа по этой станции, одновременно увеличивает энергозатраты на предыдущей станции, связанные с затратой энергии на привод вентиляторов АВО.

В силу этого  целесообразность и эффективность  использования АВО на КС необходимо и достаточно оценивать двумя показателями: соотношением мощностей, затрачиваемых на привод вентиляторов в аппаратах АВО на предыдущей станции, и величиной снижения мощности на привод нагнетателей на последующей КС, полученной за счет снижения температуры газа на входе нагнетателей

 

Приведенный критерий наиболее наглядно проявляется  на электроприводных КС в условиях, когда стоимость электроэнергии является часто одинаковой как для предыдущей, так и последующей компрессорной станции. В этих условиях, как показывают расчеты, охлаждение газа в АВО на станциях всегда выгодно.

При использовании  на КС вдоль газопровода газотурбинных  и электроприводных агрегатов оптимальным вариантом эксплуатации для предыдущей и последующей КС будет такой температурный режим работы газопровода, при котором сумма топливно-энергетических затрат в денежном выражении на привод вентиляторов АВО на предыдущей станции (С_АВО) и на привод нагнетателей на последующей КС (С_ГПА) для данного газотранспортного предприятия будет минимальной

 

Одновременно  это должно означать, что затраты  на привод вентиляторов АВО по предыдущей КС должны быть меньше в денежном выражении той экономии от транспорта природных газов, которую можно получить при сжатии газа на последующей компрессорной станции. Для компрессорных станций с газотурбинным приводом, из-за значительной разницы в существующих ценах на электроэнергию и топливный газ, затраты, связанные с охлаждением газа в АВО, могут оказаться весьма существенными. Поэтому, если охлаждение транспортируемого газа в АВО не диктуется техническими условиями, экономический критерий должен быть достаточно хорошо обоснован. При его обосновании необходимо принимать во внимание и частичную потерю давления сжатого газа на преодоление гидравлических сопротивлений в системе АВО.

Температурный режим работы АВО, рассчитанный по условию минимума энергозатрат на охлаждение газа, естественно должен обеспечивать поддержание температуры газа на входе в следующую КС не ниже температуры грунта. При этом регулировать режимом работы АВО можно отключением или включением отдельных аппаратов, отдельных вентиляторов у части работающих АВО, изменением частоты вращения вентиляторов, изменением угла установки лопастей вентиляторов.

Следует отметить, что в летний период эксплуатации газопровода, когда разность температур перекачиваемого газа после нагнетателей и наружного воздуха не превышает 15 - 20°С, использование АВО может оказаться малоэффективным. В летний период заметно снижается глубина охлаждения газа, перепад температур по воздуху в целом, хотя количество работающих АВО может и увеличиваться.

Исследования  режимов работы АВО на КС показывают, что наиболее часто используемым способом регулирования режимом работы АВО является отключение или включение части работающих вентиляторов в аппаратах АВО.

Оптимальное число работающих АВО в общем случае определяется как отношение необходимого полного теплоперепада к теплоперепаду по одному АВО

 

где Q_общ — суммарный теплообмен, который нужно осуществить в АВО на КС;

ρ - плотность перекачиваемого газа, кг/м³;

Q - производительность  газопровода, м³/сут;

- средняя теплоемкость газа  при средней температуре газа  в пределах АВО, Дж/(кг·°С);

t_цбн - температура газа после нагнетателей, °С;

t_АВО- необходимая температура газа после АВО, перед подачей его в трубопровод, °С;

Q_АВО - теплосъем в одном АВО, Вт/(м² ·°С);

k - коэффициент теплопередачи данного типа АВО, Вт/(м² ·°С);

F - площадь  поверхности теплообмена, м²;

θ_m - средняя разность температур между нагревающим и нагреваемым потоками, °С.

Средние значения коэффициентов теплопередачи для  АВО различных типов, используемых на газопроводах, изменяются в диапазоне 20 - 35 Вт/(м² ·°С); поверхности теплообмена F, в диапазоне 8200 - 10800 м²; расход охлаждающего воздуха для различных типов АВО изменяется в диапазоне 150 - 220 кг/с.

В настоящее  время количество АВО на КС достигает 20 и более установок. Практически  каждый АВО снабжен двумя вентиляторами  с приводом от электродвигателя мощностью 40 - 70 кВт, что приводит к значительным расходам электроэнергии по станции.

В связи с  этим в условиях эксплуатации всегда возникает задача по определению оптимального режима работы АВО. Практически решение этой задачи сводится к определению оптимальной схемы включения вентиляторов в АВО, с одной стороны, обеспечивающей охлаждение транспортируемого газа до заданного значения, а с другой — минимальные расходы электроэнергии на привод вентиляторов.

Сочетание работающих, полностью отключенных и частично работающих АВО (в аппарате не все вентиляторы включены) образует множество различных схем соединения, обеспечивающих режимы теплообмена в условиях вынужденной и свободной конвекции.

Все возможные  схемы включения АВО в работу (после отключения) могут быть реализованы различной последовательностью, например, последовательно включаются все аппараты; последовательно включается в работу только первая или вторая половина вентиляторов, расположенных соответственно ближе или дальше от поступающего в аппараты транспортируемого газа и т.д.

Естественно, что при различных схемах включения  вентиляторов в работу в системе общего охлаждения газа между группами АВО, работающими в режимах вынужденной и свободной конвекции, происходит определенное перераспределение съема тепла, что в конечном итоге будет влиять на температуру охлаждения газа

 

где t₁, t₂, t₃ - соответственно температуры охлаждения газа в АВО, работающих со всеми включенными, наполовину включенными и полностью отключенными вентиляторами;

- соответственно число АВО, работающих с полностью включенными, частично включенными и полностью отключенными вентиляторами.

В условиях эксплуатации АВО на КС включение  вентиляторов в работу (с точки зрения увеличения теплосъема с аппарата) всегда следует начинать с ряда вентиляторов, расположенных ближе к входящим потокам транспортируемого газа, так как именно здесь будет иметь место наибольшая разность температур между нагревающим и нагреваемым потоками и, следовательно, при заданной температуре охлаждения газа на это потребуется меньшее число работающих АВО.

Действительно, общее количество тепла, которое  необходимо снять с компримированного газа при заданной температуре охлаждения (Δt=t_цбн -t_АВО) определяется достаточно просто

 

ρ - плотность транспортируемого газа, кг/м³;

Q - количество газа, подаваемого на охлаждение в АВО и определяемого по диспетчерским данным, м³/сут;

- средняя теплоемкость природного  газа, Дж/(кг·°С).

4.2 Аппараты воздушного  охлаждения горизонтальные

 

Аппараты  воздушного охлаждения широко используют в составе станций магистральных  газопроводов для охлаждения газа после  компримирования, а также в нефте- и газоперерабатывающей промышленности. Опыт использования АВО подтверждает высокую эффективность и надежность работы таких аппаратов.

АВО в зависимости  от расположения теплообменных секций принято разделять следующим образом:

- горизонтального  типа, в которых теплопередающая секция расположена горизонтально. Аппарат имеет 3 секции, при длине труб 4, 6 и 8 м. Преимуществом аппаратов этого типа является простота конструкции, облегчающая монтаж и обслуживание аппаратов. Недостатком аппаратов этого типа является значительная площадь, занимаемая ими;

- вертикального  типа, в которых теплопередающая секция расположена вертикально. Конденсатор вертикального типа занимает малую площадь, но при больших производительностях он становится сложным в эксплуатации из-за большого числа вентиляторов и связанного с ними электрооборудования. Используются аппараты трехконтурного типа, отличающиеся размещением отдельных секций в трех, расположенных горизонтально друг над другом, контурах. Между секциями и корпусом аппарата, а также рядом расположенными секциями образуются каналы, по которым поступает воздух, обдувающий оребренные трубы секций. Такой аппарат наиболее компактен: при большой поверхности теплообмена аппарат занимает сравнительно небольшую производственную площадь;

- зигзагообразного  типа, в которых теплообменные секции расположены под углом друг к другу. Конденсаторы воздушного охлаждения зигзагообразного типа позволяют при незначительном увеличении габаритных размеров аппарата получить большую поверхность теплообмена. К недостаткам аппарата зигзагообразного типа следует отнести сложность поддерживающих  металлоконструкций и монтажа, неудобства эксплуатации и ремонта, неравномерность подвода воздуха по длине секций.

Основными элементами ABO являются: теплообменные секции, вентилятор, аэродинамические элементы и несущие конструкции. По трубам секций пропускают охлаждаемую или конденсируемую среду. С торцов аппарат закрыт металлическими стенками. Осевой вентилятор с приводом от электродвигателя нормального или взрывозащищенного исполнения предназначен для подачи охлаждающего воздуха в теплообменные секции. Для повышения эффективности аппарата при сравнительно высокой температуре окружающего воздуха (в летнее время) на выходе воздуха из вентилятора предусмотрен кольцевой коллектор для увлажнения воздуха с целью снижения его температуры. Для предотвращения отложения накипи на трубах для увлажнения нужно использовать химически очищенную воду.

Рассмотрим  отдельно аппараты воздушного охлаждения горизонтальные. Аппарат воздушного охлаждения горизонтальный типа АВГ (рис. 6) предназначен для охлаждения природного газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, выпускается в соответствии с ГОСТ Р51364-99 и ТУ 3681-003-00220302-96. Технические характеристики представлены в табл. 3.

Аппарат состоит  из трех горизонтально расположенных  трубных секций, составленных из оребренных биметаллических труб. Секции монтируются на металлической конструкции. Привод колеса вентилятора размещается на отдельной раме. Колесо вентилятора, вращаясь в полости коллектора, прогоняет воздух через межтрубное пространство секций, охлаждая продукт.

По требованию заказчика аппарат дополнительно может быть укомплектован увлажнителем, подогревателем, жалюзи. Жалюзи выпускаются с ручной регулировкой или пневмоприводом поворота заслонок. Возможно исполнение аппаратов с системой рециркуляции, состоящей из панелей, жалюзи верхних, переточных и боковых. Устройство рециркуляции обеспечивает рециркуляцию нагретого в трубных секциях воздуха для предотвращения переохлаждения продукта в зимнее время.

По конструкции  аппарат АВГ представляет собой аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа с секциями с разъемными камерами (крышка + решетка), комплектующимися оребренными трубами. Стандартные АВО горизонтального типа имеют три секции и вентиляторы с диаметром колеса 2,8 м. При длине труб 4 м устанавливают один вентилятор, при длине 8 м – два, при длине 12 м – три вентилятора. Для аппаратов горизонтального типа целесообразно некоторое увеличение вентилятора, например до 3,2 м.

Рисунок 6 – Аппарат воздушного охлаждения горизонтальный

 

Аппарат воздушного охлаждения горизонтальный АВГ–20–1,6–  Б1–В1Т/ 4–2–8 УХЛ1 ТУ 3681-003-00220302-96 – это аппарат с коэффициентом оребрения φ=20, условное давление 1,6 МПа, с секциями материального исполнения Б1, приводом вентилятора В1Т, четырехрядный, двухходовой, с трубами длиной 8 м, с вентилятором с ручной регулировкой угла установки каждой лопасти при остановленном вентиляторе, для климатического исполнения УХЛ1.

 

Таблица 3 – Технические характеристики АВГ

Давление рабочее, МПа	0,6; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3
Температура рабочей среды,°С	-40…300
Количество теплообменных секций	3
Число рядов труб в секции	4, 6, 8
Число ходов по трубам	1, 2, 3, 4, 6, 8
Количество труб	82, 94, 123, 141, 164, 188
Длина теплообменных труб, м	4, 8
Коэффициент оребрения	9; 14,6; 20
Поверхность теплообмена, м2	875-6400
Диаметр колеса вентилятора, м	2,8
Мощность тихоходного электродвигателя, кВт	22, 30, 37
Масса, кг	7230-25760
Материальное исполнение	Б1; Б2; Б2.1; Б3; Б3.1;  Б4;Б4.1; Б5; Б5.1