Камелетдинов Ильдар Масгутович. Энергосбережение при эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения на магистральных газопроводах

Краткое описание

Камелетдинов Ильдар Масгутович. Энергосбережение при эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения на магистральных газопроводах : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.19.- Уфа, 2002.- 206 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/1067-3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
КАМАЛЕТДИНОВ ИЛЬДАР МАСГУТОВИЧ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА
МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ
Специальность 25.00.19. - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,
баз и хранилищ
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа 2002
ОГЛАВЛЕНИЕ
С.
ВВЕДЕНИЕ. 5
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ 12
ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР РАНЕЕ ПРОВЕДЁННЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 17
1.1 Аппараты воздушного охлаждения на компрессорных
станциях магистральных газопроводов 17
1.2 Экспериментальные исследования внешней
теплоотдачи и теплопередачи промышленных АВО 21
1.3 Методики теплового расчёта АВО. 26
1.4 Внешняя теплоотдача и аэродинамическое сопротивление оребрённых трубных пучков разной конфигурации и влияние интенсификаторов теплообмена
на эти параметры 29
Выводы по главе 32
ГЛАВА 2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА
АППАРАТАХ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА. 33
2.1 Методика эксперимента 34
2.2 Внешняя теплоотдача промышленных аппаратов
воздушного охлаждения при работе с включенными вентиляторами 38
2.3 Коэффициенты теплопередачи в промышленных АВО
при работе с включенными вентиляторами 49
2.4 Режим работы аппаратов воздушного охлаждения газа
с отключенными вентиляторами 57
2.5 Влияние направления ветра на теплообмен в АВО 64
з
2.6 Расход воздуха через ABO при свободноконвективном охлаждении с учётом влияния направления и скорости
ветра . 68
Выводы по главе. 71
ГЛАВА 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ТЕПЛОВОГО
РАСЧЁТА АВО 73
3.1 Тепловой расчёт аппаратов воздушного охлаждения
газа с использованием параметра эффективности 73
3.2 Сопоставление моделей перекрёстного тока для
промышленных аппаратов воздушного охлаждения 76
3.3 Сопоставление расчётов по предложенной методике с
экспериментами 79
3.4 Получение критериальных зависимостей для внешней
теплоотдачи промышленных АВО газа 84
3.5 Расчёт режима работы АВО по предложенной методике 95 3.6.К расчёту свободноконвективного охлаждения
природного газа 102
Выводы по главе < 104
ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЮ ПРИ
ЭКСПЛУАТАЦИИ АВО .... 105
4.1 Особенности энергосбережения при эксплуатации АВО
на КС МГ 105
4.2 Практическая методика определения эффективности
работы АВО по тепловому потоку 122
4.3 Зависимости теплосъёма от располагаемого
температурного напора 126
Выводы по главе 142
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНТАЦИИ 144
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ 146
ПРИЛОЖЕНИЯ .. 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Данные по теплопередаче, аэродинамическому
сопротивлению и оребрению по разным
источникам 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Сведения о состоянии парка АВО обследованных
КС 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Геометрические характеристики АВО 167
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Выбор точек для определения температуры и
скорости воздуха после трубного пучка 171
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Экспериментальные данные 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Т епл опере дача при свободной конвекции 194
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Методика и программа расчёта оптимальной
температуры охлаждения газа в АВО 197
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 Внедрения 205

ВВЕДЕНИЕ
Энергетическая стратегия России на период до 2020 г [89, 111] предусматривает дальнейшее увеличение добычи газа, как для внутреннего потребления, так и для экспорта, интенсивную реализацию организационных и технологических мер по экономии топлива и энергии.
Основной объём российского газа в настоящее время добывается в Западной Сибири в удалении от потребителей. Значительное увеличение поставок может быть достигнуто за счёт снижения затрат топливного газа на транспорт, которые в настоящее время составляют 8,4% от объёма перекачиваемого газа на магистральных газопроводах (МГ) России [90]. Расход топливного газа при поставках на экспорт примерно в 2 раза больше.
По оценке экспертов энергоемкость промышленности в России в 3...4 раза выше, чем в передовых странах мира. По данным специалистов топливно¬энергетического комплекса России годовой потенциал энергосбережения по стране составляет 350...400 млн. т у.т. Из них примерно одна треть сосредоточена в самом топливно-энергетическом комплексе, более пятой - в коммунально-бытовом секторе, остальное - в промышленности. Реализация освоенных в отечественной и мировой практике организационных и технологических мер по экономии энергоресурсов способна снизить их расход на 40-48 %.
Таким образом, в настоящее время и в обозримом будущем проблема энергосбережения - одна из главных для всего хозяйства России. Это обусловлено большой энергоёмкостью промышленности и наметившимся в 1999 году ростом производства продукции.
Принятый в марте 1996 г. Федеральный Закон "Об энергосбережении" считает обязательным энергетические обследования предприятий, если годовое потребление ими энергетических ресурсов составляет более шести тысяч тонн условного топлива. Потребление энергоресурсов каждой компрессорной станцией (КС) на газопроводе диаметром 1420 мм составляет около 150 тысяч ту.т. и, вследствие этого, вопрос энергосбережения для них чрезвычайно актуален.
Цель работы
Определить эффективность и условия работы современных промышленных аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и разработать рекомендации по энергосбережению при их эксплуатации.
Основные задачи исследований
1. Определение условий эксплуатации современных АВО на КС МГ.
2. Совершенствование методики теплового расчёта промышленных АВО.
3. Получение критериальных зависимостей для расчёта коэффициента внешней теплоотдачи современных промышленных АВО КС МГ при принудительном и свободном обдувания трубного пучка.
4. Совершенствование методики расчета оптимальной температуры перекачки газа по МГ.
5. Разработка практических рекомендаций по энергосбережению при эксплуатации АВО на МГ.
Методы исследований
При решении задач использованы современные аналитические и экспериментальные методы. Эксперименты проведены на промышленных объектах. Обработка результатов экспериментов произведена с применением математической статистики и вычислительной техники.
Научная новизна
Получены критериальные зависимости для расчёта внешней теплоотдачи современных промышленных АВО КС МГ .для случаев принудительного и свободного обдувания трубного пучка, учитывающие загромождение межтрубного пространства.
Выявлено влияние ветра на теплообмен АВО (установленных на возвышении) при режиме работы с отключенными вентиляторами. Предложена расчётная зависимость для расхода воздуха через трубный пучок с учётом влияния ветра.
В методику теплового расчёта АВО введена тепловая эффективность теплообменных аппаратов є (отношение фактического теплосъёма к максимально возможному, который может быть передан в идеальном противоточном теплообменнике с бесконечно большой поверхностью теплопередачи). Доказано, что современные промышленные АВО КС МГ следует рассчитывать как перекрёстноточные теплообменные аппараты с неперемешивающимися теплоносителями.
Установлено, что в целях энергосбережения на МГ с газотурбинным приводом нагнетателей необходимо определять оптимальную температуру охлаждения газа с учётом соотношения стоимости 1 кВт'ч электроэнергии от ЛЭП для АВО и механической энергии на валу газотурбинной установки (ГТУ), погодных условий и загрязнённости поверхностей АВО.
Основные защищаемые положения
1) Результаты промышленных экспериментов на АВО КС МГ с установленными долями коэффициентов теплопередачи и тепловой эффективности от их соответствующих номинальных значений.
2) Критериальные зависимости для расчёта внешней теплоотдачи современных промышленных АВО с вытяжной и нагнетательной тягой при режимах работы с отключенными и включенными вентиляторами, учитывающие наличие интенсификаторов теплообмена и загромождение межтрубного пространства, а также влияние ветра при режиме работы с отключенными вентиляторами с расчётной зависимостью для расхода воздуха.
3) Усовершенствованная методика теплового расчёта с введённым параметром эффективности и экспериментально установленным фактом,
, что современные промышленные АВО КС МГ относятся к перекрёстноточным теплообменным аппаратам с неперемешивающимися теплоносителями.
4) Методика и программа расчёта оптимальной температуры перекачки газа с учётом соотношения стоимости 1 кВгч электроэнергии от ЛЭП и механической энергии на валу ГТУ, условий эксплуатации АВО.
5) Практические рекомендации по сравнению фактических графиков зависимости теплосъёма от располагаемого температурного напора по диспетчерским данным с паспортными и отношениям фактических теплосъёмов к паспортным для выбора оптимальной температуры перекачки и оперативного контроля за состоянием поверхностей теплообмена АВО.
Практическая ценность и реализация работы
Предложенная методика теплового расчёта и уточнённая модель перекрёстного тока совместно с критериальными зависимостями для теплоотдачи позволяют прогнозировать снижение тепловой эффективности и теплосъёма АВО в процессе эксплуатации и, в конечном счёте, изменение расхода электроэнергии на привод вентиляторов.
Рекомендации по установке АВО на возвышении и полученная расчётная зависимость для определения расхода воздуха с учётом ветра позволяют проектировать систему охлаждения с увеличенным теплосъёмом без затрат электроэнергии при их эксплуатации в этом режиме.
Учёт дополнительных факторов при оптимизации параметров перекачки и предложенная программа позволяют определять оптимальную температуру охлаждения газа для МГ.
Рекомендации по использованию диспетчерских данных и паспортных характеристик АВО для определения отношения фактического теплосъёма к паспортному и сравнение этого отношения для двух режимов позволит оперативно определять вид промывки с целью повышения эффективности и, в конечном счёте, энергосбережение при эксплуатации АВО.
Разработанная методика «Тепловой расчёт промышленных аппаратов воздушного охлаждения газа по параметру эффективности» используется в учебном процессе УГНТУ.
«Методика расчёта оптимального теплового режима магистрального газопровода» принята в качестве рекомендательной при выборе режима перекачки в ООО «Баштрансгаз».
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы нефтегазовой отрасли» (декабрь 2000 г.); научно-практической конференции «Энергосбережение в РБ» (декабрь 2001 г.); 50, 51, 52, 53 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (1999-2002 г.).
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи, научная новизна, основные защищаемые положения и практическая ценность.
В первой главе дан краткий обзор имеющихся в научной литературе сведений по эксплуатации АВО на КС МГ, промышленных исследований теплообмена различных типов аппаратов и методик их теплового расчёта, обоснованы задачи исследований.
Во второй главе приведены результаты экспериментального изучения внешней теплоотдачи, теплопередачи и эффективности современных промышленных АВО КС МГ в режиме работы с включенными и отключенными вентиляторами, приведены методика экспериментов и обработки опытных данных, доли коэффициентов теплопередачи от номинальных для различных типов АВО, работающих на КС МГ. Расчётные коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи по имеющимся методикам сопоставлены с экспериментальными. Показано, что эти методики дают значительно расходящиеся между собой результаты, отличные от экспериментальных данных, они не учитывают условия эксплуатации промышленных АВО на КС МГ. Отмечено, что установка вентиляторов снизу (аппараты с нагнетательной тягой 2АВГ-75) при вынужденной конвекции увеличивает коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, а при свободной уменьшает. Внешняя промывка паром АВО «Крезо-Луар» может привести к уменьшению внешней теплоотдачи. Показано, что на внешнюю теплоотдачу АВО с вытяжной тягой заметное влияние оказывает рельеф местности, направление и скорость ветра. Ветер снизу увеличивает внешнюю теплоотдачу, сверху - уменьшает. Предложена расчётная формула для расхода воздуха через трубный пучок с учётом влияния ветра. Рекомендовано устанавливать эти типы АВО на естественных и искусственных возвышениях (холмах).
Третья глава содержит предложения по совершенствованию методики теплового расчёта АВО путём использования параметра эффективности. Предложены критериальные зависимости для расчёта теплоотдачи современных промышленных АВО при работе с включенными и отключенными вентиляторами с поперечными рёбрами прямоугольного профиля с коэффициентом оребрения 20-23, учитывающие степень загромождения трубного пучка, наличие интенсификаторов теплообмена, место установки вентиляторов. Сопоставление расчётов по ней с экспериментальными данными показало удовлетворительную сходимость. Доказано, что современные промышленные АВО КС МГ следует рассчитывать как перекрёстноточные теплообменные аппараты с неперемешивающимися теплоносителями.
Четвёртая глава посвящена практическим рекомендациям по энергосбережению на КС МГ. В целях энергосбережения необходимо
определять оптимальную температуру охлаждения газа на МГ с газотурбинным приводом нагнетателей с учётом соотношения стоимости 1 кВтч электроэнергии от ЛЭП для АВО и механической энергии на валу ГТУ. При прочих равных данных на оптимальную температуру охлаждения газа влияют погодные условия и загрязнённость теплопередающих поверхностей АВО. Предложена программа расчёта оптимальных параметров перекачки с учётом перечисленных факторов. Загрязнение АВО учитывается введением зависимости фактического теплосъёма от располагаемого напора. Проведён анализ влияния внутренних и внешних промывок АВО на теплосъём путём сравнения графиков зависимости фактического теплосъёма от располагаемого температурного напора по диспетчерским данным с построенными исходя из паспортных характеристик охлаждения газа в АВО и определены отношения фактического теплосъёма к паспортному для режимов работы с включенными и отключенными вентиляторами. Предложено использовать такие сравнения для оперативного контроля за состоянием поверхностей АВО и определения вида промывки.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ
А - безразмерная степень охлаждения газа;
а1уч - параметр В.Г. Шухова для и расчётного участка газопровода; b - коэффициент, учитывающий скоростной напор;
В], В2 и С - безразмерная высота рёбер;
Срщ - средняя изобарная теплоёмкость, Дж/(кг-К);
С3 - коэффициент, учитывающий изменение условий обтекания трубного пучка потоком воздуха из-за загрязнения межтрубного пространства; d - диаметр трубок АВО, м;
D - диаметр трубопровода, м;
Д - среднее значение коэффициента Джоуля-Томсона транспортируемого природного газа, К/Па;
Е - коэффициент эффективности поперечных рёбер прямоугольного профиля; Ей - число подобия Эйлера;
F- площадь поверхности трубного пучка, м2; g- ускорение свободного падения, м/с ;
Ga - расход газа через АВО, нм3/с;
Gx - расход воздуха через АВО, м/с;
Gr - число Грасгофа; hp - высота ребра, м;
к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2,К);
}/ - показатель адиабаты;
1Р - шаг ребра, м;
1тр - длина трубок, м;
1уч - длина участка газопровода между КС, м; т - показатель политропы;
М- массовый расход газа, кг/с;
пАВо - число АВО, установленных на одной КС для одной ветки газопровода, шт;
пв - число работающих вентиляторов, шт; пряд - число рядов труб в пучке, шт; птр - число трубок в пучке, шт; щ - число труб одного ряда, шт;
N - мощность нагнетателя с учётом механических потерь, Вт;
Ne - мощность электродвигателя вентилятора АВО, Вт;
NTU - число единиц переноса теплоты;
Шг - число Нуссельта со стороны газа;
NuK - конвективное число Нуссельта, характеризующего внешнюю
теплоотдачу;
Nu„p - приведённое число Нуссельта, характеризующего внешнюю
теплоотдачу; р - давление, Па;
Ргг - критерий Прандтля для газа;
Ргх - число Прандтля для воздуха при его средней температуре в пучке; q - пропускная способность, м3/сут; qm - плотность теплового потока, Вт/м ;
Q - фактический тепловой поток, Вт;
Qmax ~ максимально возможный тепловой поток, который может быть передан в идеальном противоточном теплообменнике с бесконечно большой поверхностью теплопередачи, Вт;
Qe - тепловой поток, отводимый в одном АВО при включенных вентиляторах, Вт;
Qc - тепловой поток, отводимый в одном АВО при отключенных вентиляторах, Вт;
QPH - низшая теплота сгорания газа, Дж/(кг*К);
R - термическое сопротивление, (м ‘К)/Вт;
Re - газовая постоянная транспортируемого газа, Дж/(кг-К);
Re - число Рейнольдса для теплоносителя в АВО;
SK - площадь конфузоров на выходе из АВО, м2;
SKC ~ годовые приведённые затраты на КС, руб/год;
S0XJl - годовые приведённые затраты на систему охлаждения газа, руб/год; Sy4 - годовые приведённые затраты на линейную часть газопровода, руб/(кмтод);
Sx - площадь узкого сечения для воздуха, м2;
S] - шаг труб по ширине трубного пучка, м;
S2 - шаг труб по глубине трубного пучка, м; t - температура, °С;
Т- температура, К;
W - теплоёмкость массового расхода (водяной эквивалент), Вт/К;
Wmax ~ больший из водяных эквивалентов потоков, Вт/К;
Wmin - меньший из водяных эквивалентов потоков, Вт/К;
WCM - водяной эквивалент смешивающегося в АВО потока, Вт/К;
WHecM - водяной эквивалент несмешивающегося в АВО потока, Вт/К; z - фактор сжимаемости газа;
аг - коэффициент теплоотдачи от газа к внутренней поверхности стенки
л
трубки (ИЛИ загрязнений), Вт/(м К);
ак - конвективный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки трубки (или загрязнений на ней) к воздуху, Вт/(м2,К);
апр - средний приведённый коэффициент теплоотдачи от наружной
л
поверхности стенки трубки к воздуху, Вт/(м К); р- коэффициент объёмного расширения, 1/К; др - толщина ребра, м;
AN- экономия мощности компрессоров, Вт;
ANe - расход мощности на АВО, Вт;
At - разность температур нагреваемой среды в пучке и снаружи, At = txcp-tx], °С; Atг - глубина охлаждения газа, AtB = tB]-tB2, °С;
Atp - располагаемый температурный напор, Atp = tBj-txi, °С;
Az - высота от середины трубного пучка до верха конфузора, м; s - тепловая эффективность теплообменника, являющаяся функцией NTU, WmJWmax и схемы движения потоков;
Ел, - поправка на непротивоточность к среднелогарифмическому температурному напору; ц - КПД газоперекачивающего агрегата; цг - динамическая вязкость газа, Пах;
@т - среднелогарифмический температурный напор, °С;
Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);
Хгидр - коэффициент гидравлического сопротивления;
у* - кинематическая вязкость воздуха при средней для пучка температуре, м /с; р - плотность теплоносителя, кг/м3; а о - среднеквадратичное отклонение; veem- скорость ветра, м/с;. vx - скорость воздуха, м/с;
цхуяс - скорость воздуха в узком сечении трубного пучка при средней в пучке температуре, м/с;
(рор - коэффициент оребрения, отнесённый к площади поверхности неоребрённой трубы;
¥- поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность распределения коэффициента теплоотдачи по поверхности ребра;
Цэ„.эн - цена 1 кВт-ч электроэнергии, руб;
л
Цг - цена 1 нм газа, руб;

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Установлено, что показатели работы промышленных АВО газа на МГ меньше проектных: тепловая эффективность различных АВО в процессе эксплуатации составляет 0,78...0,87 от номинальной, а коэффициент теплопередачи -0,42...0,91 от номинального значения.
2. Предложена усовершенствованная методика теплового расчёта АВО с введением параметра эффективности и критериальными зависимостями для внешней теплоотдачи современных промышленных АВО. Она учитывает наличие интенсификаторов теплообмена, вид тяги и загромождение межтрубного пространства АВО. Экспериментально установлено, что промышленные АВО КС МГ с коэффициентом оребрения 20-23 относятся к теплообменным аппаратам с перекрёстным током с неперемешивающимися теплоносителями. Сравнение расчётной температуры газа на выходе АВО по предложенной методике с экспериментальными данными показало удовлетворительную сходимость: среднее квадратичное отклонение составляет от 0,03 до 0,90 °С для разных серий опытов. Указанные наработки сведены в методику «Тепловой расчёт промышленных аппаратов воздушного охлаждения газа по параметру эффективности», которая используется в учебном процессе УГНТУ.
3. Выявлено влияние ветра на теплообмен АВО при режиме работы с отключенными вентиляторами, предложены критериальные зависимости внешней теплоотдачи для этого режима. Предложена расчётная зависимость для расхода воздуха через трубный пучок с учётом влияния ветра, сопоставление расчётов по ней с экспериментальными данными показало среднее отклонение расчётного расхода от экспериментального в 12 %. Предложено устанавливать аппараты воздушного охлаждения при сооружении КС на естественных или искусственных возвышениях
(холмах), что увеличит теплосъём при отключенных вентиляторах примерно в 2 раза без затрат электроэнергии.
4. Показана необходимость учитывать соотношение стоимости 1 кВгч электроэнергии от ЛЭП и механической энергии на валу ГТУ, влияние загрузки газопровода, погодных условий и загрязнённости теплопередающих поверхностей аппаратов воздушного охлаждения для ведения оптимального теплового режима МГ. Разработана и принята в качестве рекомендательной при выборе режима перекачки в ООО «Баштрансгаз» «Методика расчёта оптимального теплового режима магистрального газопровода», которая учитывает все эти факторы и позволяет определять наиболее экономичный режим работы газопровода при любых условиях его работы
5. Для оперативного контроля за состоянием парка АВО и для поддержания оптимального теплового режима МГ предложено строить зависимости фактического и паспортного теплосъёма АВО от располагаемого температурного напора. Для указанных зависимостей достаточно данных из рабочего журнала цеха.
Разработанная методика «Тепловой расчёт промышленных аппаратов воздушного охлаждения газа по параметру эффективности» используется в учебном процессе УЮТУ.
«Методика расчёта оптимального теплового режима магистрального газопровода» принята в качестве рекомендательной при выборе режима перекачки в ООО «Баштрансгаз».