В работе [1] был предложен экономический подход к охлаждению природного газа на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов (МГ), а именно: в качестве критерия глубины охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) выбрать условие минимума затрат на транспортировку газа по МГ. При таком подходе проработку вопроса охлаждения природного газа удобно разделить на два направления. Во-первых, необходимо подобрать для конкретного блока АВО вентиляторы с максимальным коэффициентом полезного действия (КПД). Во-вторых, необходимо иметь возможность в процессе работы настраивать блок АВО газа на требуемый режим охлаждения. В настоящее время в ООО «Тюментрансгаз» активно внедряются мероприятия по обоим направлениям при модернизации наиболее распространенного типа АВО - 2АВГ-75. Ниже приведены основные результаты этой работы. По первому направлению модернизации АВО - повышению эффективности вентиляторного блока -удалось существенно повысить КПД. Чтобы пояснить полученные результаты, рассмотрим особенности конструкции блоков отечественных АВО газа на КС МГ. АВО газа установлены группами по 12-14 аппаратов (Рис. 1), и нижний срез диффузора расположен близко к земле (на высоте 2,3 - 2,5 м - полдиаметра вентилятора). При включении всех вентиляторов проявляются два эффекта такого плотного и низкого расположения АВО: расходные характеристики вентиляторов падают из-за сужения пространства забора воздуха ([2]);возникает частичная рециркуляция теплого воздуха (Рис. 1).
В результате второго эффекта, согласно проведённым замерам, температура охлаждающего воздуха на 2-3°С выше окружающей среды. Сама конструкция диффузора имеет острый край, что, как показала визуализация, приводит к срыву с него воздушного потока, и концевые части лопастей не работают (Рис. 2).
С целью снижения рециркуляции и предотвращения срыва воздушного потока устанавливаются коллекторы плавного входа (КПВ), которые увеличивают расход воздуха и снижают температуру набегающего потока на 1-2°С из-за увеличения строительной высоты между забором холодного воздуха и выбросом теплого.
С целью улучшения характеристик рабочего колеса вентилятора устанавливаются композитные рабочие колеса - ГАЦ-50-4М3. Эти колеса специально разработаны под данный АВО газа с установкой КПВ. Их отличие от прежних металлических колес - Т-50-4 и УК-2М - состоит в том, что в них использован аэродинамический профиль с высокими характеристиками и по длине лопасти имеют существенно переменные ширину и крутку. Такой формы позволило добиться использование стеклопластиковой технологии при изготовлении лопастей. Сравнительные эксперименты показали большую эффективность рабочего колеса ГАЦ-50-4М3 с КПВ по сравнению с рабочим колесом Т-50-4 (Рис. 3).
С целью улучшения характеристик рабочего колеса вентилятора устанавливаются композитные рабочие колеса - ГАЦ-50-4М3. Эти колеса специально разработаны под данный АВО газа с установкой КПВ. Их отличие от прежних металлических колес - Т-50-4 и УК-2М - состоит в том, что в них использован аэродинамический профиль с высокими характеристиками и по длине лопасти имеют существенно переменные ширину и крутку. Такой формы позволило добиться использование стеклопластиковой технологии при изготовлении лопастей. Сравнительные эксперименты показали большую эффективность рабочего колеса ГАЦ-50-4М3 с КПВ по сравнению с рабочим колесом Т-50-4 (Рис. 3).
В результате при модернизации аппарата 2АВГ-75 достигается 40%-ая экономия электроэнергии при том же расходе воздуха (ИП - 1223-10-03) или возможность на 12-14% увеличить эффективный расход воздуха при номинальной нагрузке электродвигателя. Таким образом, мы получили оперативный простор для маневрирования глубиной охлаждения воздуха, то есть мы можем устанавливать лопасти рабочего колеса на больший угол и обеспечивать большую глубину охлаждения газа в АВО или устанавливать лопасти рабочего колеса на меньший угол и экономить электроэнергию.
По второму направлению модернизации АВО - настройке блока АВО газа на необходимый режим охлаждения - внедрён новый принцип регулировки. Вплоть до последнего времени изменение глубины охлаждения газа в АВО достигается включением-отключением вентиляторов. Кроме того, как правило, весной и осенью производится перестановка углов атаки, что, в первую очередь, связано с сезонными колебаниями плотности воздуха, которая обратно пропорциональна абсолютной температуре воздуха, выраженной в °К. Такая перестановка углов атаки частично компенсирует перепады нагрузки на электродвигатель, так как нагрузка на него прямо пропорциональна плотности воздуха и для постоянного угла атаки летом она может быть значительно ниже (до 25%), чем зимой.
При отключении вентиляторов практически пропорционально количеству работающих вентиляторов изменяется величина суммарной потребляемой электроэнергии и температурный перепад газа на блоке АВО
(Рис. 4). Дискретность регулировки температуры газа составляет при этом 2,5-3,0% от температурного напора газового потока: разница между температурой газа на входе в АВО и температурой окружающего воздуха. На практике это даёт дискретность от 0,5°С летом и до 1°С зимой, что вполне достаточно для потребностей эксплуатации.
По второму направлению модернизации АВО - настройке блока АВО газа на необходимый режим охлаждения - внедрён новый принцип регулировки. Вплоть до последнего времени изменение глубины охлаждения газа в АВО достигается включением-отключением вентиляторов. Кроме того, как правило, весной и осенью производится перестановка углов атаки, что, в первую очередь, связано с сезонными колебаниями плотности воздуха, которая обратно пропорциональна абсолютной температуре воздуха, выраженной в °К. Такая перестановка углов атаки частично компенсирует перепады нагрузки на электродвигатель, так как нагрузка на него прямо пропорциональна плотности воздуха и для постоянного угла атаки летом она может быть значительно ниже (до 25%), чем зимой.
При отключении вентиляторов практически пропорционально количеству работающих вентиляторов изменяется величина суммарной потребляемой электроэнергии и температурный перепад газа на блоке АВО
(Рис. 4). Дискретность регулировки температуры газа составляет при этом 2,5-3,0% от температурного напора газового потока: разница между температурой газа на входе в АВО и температурой окружающего воздуха. На практике это даёт дискретность от 0,5°С летом и до 1°С зимой, что вполне достаточно для потребностей эксплуатации.
Такая пропорциональная зависимость обусловлена тем, что количество теплоты, отнятой у газа, пропорционально поверхности теплообмена F
Qг = a F(Тг - Твоз)
и при отключении вентилятора фактически отключается теплообменная поверхность (с точностью до вторичных воздушных потоков). Как видим из приведенной зависимости, охлаждение газа также пропорционально коэффициенту теплоотдачи а, который, в свою очередь, пропорционален скорости воздушного потока увоз, обдувающего трубки с текущим газом, в степени 0,8
a ~ v ~ N
Скорость воздушного потока при постоянном КПД вентилятора зависит как кубический корень от мощности привода (N1/3), и, следовательно, коэффициент теплопередачи а зависит от мощности привода в степени 0,26. Это значит, что при отключении одного из, например, 20 вентиляторов, мы снижаем и теплосъём, и охлаждение газа на 5%, а при регулировке всех вентиляторов при снижении теплосъёма на 5% мы достигнем 20%-го снижения энергопотребления. Поэтому с позиции экономии энергозатрат гораздо эффективнее регулировать температуру газа на выходе блока АВО не отключением части вентиляторов, а регулировкой расхода воздуха при всех работающих вентиляторах. Данная регулировка может производиться двумя способами:
1) изменением угла атаки лопастей рабочего колеса;
2) изменением частоты вращения рабочего колеса.
В окончательном выборе способа регулировки рабочего колеса определяющими являются надежность регулировки, простота эксплуатации и цена необходимого оборудования.
Ещё 15-20 лет назад на ряде нефтехимических производств регулировка вентиляторов производилась за счёт изменения угла установки лопастей. В последнее же время с удешевлением микропроцессорной техники и появлением надёжных мощных транзисторов более широко используется управление частотой вращения электродвигателя ([3]).
Из приведенных выше простых теоретических оценок понятно, что экономический эффект от изменения частоты вращения рабочего колеса при постоянном использовании всех вентиляторов может быть получен. Но для практической реализации этого эффекта необходимо, чтобы:
1) вентилятор показывал высокие характеристики при разных скоростях вращения;
2) неравномерность распределения потоков газа по разным АВО в блоке (коллекторный эффект) не оказывала большого влияния.
Второй из отмеченных факторов важен для реализации алгоритма управления частотой вращения рабочего колеса.
Критерием сохранения вентилятором характеристик при различных частотах вращения является наличие линейных зависимостей расхода воздуха от частоты вращения при различных углах атаки. С целью проверки этих зависимостей на практике предварительно был модернизирован один вентилятор на КС «Новокомсомольская» ООО «Тюментрансгаз», на котором при изменении частоты вращения при трёх разных углах установки лопастей замерялся расход воздуха (Рис. 5).
1) изменением угла атаки лопастей рабочего колеса;
2) изменением частоты вращения рабочего колеса.
В окончательном выборе способа регулировки рабочего колеса определяющими являются надежность регулировки, простота эксплуатации и цена необходимого оборудования.
Ещё 15-20 лет назад на ряде нефтехимических производств регулировка вентиляторов производилась за счёт изменения угла установки лопастей. В последнее же время с удешевлением микропроцессорной техники и появлением надёжных мощных транзисторов более широко используется управление частотой вращения электродвигателя ([3]).
Из приведенных выше простых теоретических оценок понятно, что экономический эффект от изменения частоты вращения рабочего колеса при постоянном использовании всех вентиляторов может быть получен. Но для практической реализации этого эффекта необходимо, чтобы:
1) вентилятор показывал высокие характеристики при разных скоростях вращения;
2) неравномерность распределения потоков газа по разным АВО в блоке (коллекторный эффект) не оказывала большого влияния.
Второй из отмеченных факторов важен для реализации алгоритма управления частотой вращения рабочего колеса.
Критерием сохранения вентилятором характеристик при различных частотах вращения является наличие линейных зависимостей расхода воздуха от частоты вращения при различных углах атаки. С целью проверки этих зависимостей на практике предварительно был модернизирован один вентилятор на КС «Новокомсомольская» ООО «Тюментрансгаз», на котором при изменении частоты вращения при трёх разных углах установки лопастей замерялся расход воздуха (Рис. 5).
Из результатов следует, что рабочее колесо обеспечивает расход воздуха в соответствии с теорией, то есть при снижении частоты тока имеет место линейная зависимость расхода воздуха от частоты тока v. Правда, эти зависимости не приходят в начало координат, что, возможно, связано с использованием асинхронного электропривода, у которого скорость вращения ротора ниже частоты тока в питающей сети.
На предварительном этапе влияние коллекторного эффекта моделировалось математически, базируясь на результатах стендовых испытаний ([1]). На Рис. 6 приведены результаты моделирования, и видно, что в широком диапазоне перераспределения газового потока по разным АВО суммарный эффект охлаждения природного газа практически постоянен. Это даёт гарантии получения эффекта от внедрения частотного регулирования при простом алгоритме управления, а именно: когда скорости вращения всех рабочих колес изменяются одинаково, независимо от количества газа, текущего по каждому конкретному АВО.
На предварительном этапе влияние коллекторного эффекта моделировалось математически, базируясь на результатах стендовых испытаний ([1]). На Рис. 6 приведены результаты моделирования, и видно, что в широком диапазоне перераспределения газового потока по разным АВО суммарный эффект охлаждения природного газа практически постоянен. Это даёт гарантии получения эффекта от внедрения частотного регулирования при простом алгоритме управления, а именно: когда скорости вращения всех рабочих колес изменяются одинаково, независимо от количества газа, текущего по каждому конкретному АВО.
В результате проведённых экспериментов и стендовых испытаний было проведено моделирование работы при оснащении частотными регуляторами всего блока АВО (Рис. 4), после чего была проведена модернизация установки на КС «Новокомсомольская». Единственное отличие выбранного блока от испытанного в предварительном эксперименте состояло в том, что на модернизированных АВО стояли рабочие колеса УК-2М (при эксперименте - ГАЦ-50-4М3).
Результаты экспериментов показали, что полученная при расчётах качественная зависимость сохраняется, но потребление электроэнергии несколько выше. Возможно, это связано с более низким КПД рабочего колеса УК-2М.
Итак, в результате реализованной модернизации получено следующее:
1) совершенствование диффузоров и рабочих колес позволяет повысить КПД вентилятора, и тем самым расширить возможности существующих блоков АВО, в том числе и экономить электроэнергию;
2) использование частотно регулируемых электроприводов позволяет поддерживать температуру газа на выходе блока АВО с минимальными для данной модификации АВО энергозатратами.
Для полной реализации преимуществ модернизированных блоков АВО на КС МГ осталось ответить только на один вопрос: какую температуру газа необходимо поддерживать на выходе блока АВО газа. Исходя только из технических характеристик оборудования, на этот вопрос ответить нельзя. В работе [1] был предложен экономический подход к данной проблеме. В развитие этого подхода приведём алгоритм расчёта необходимой температуры газа на выходе КС. Для этого на одном графике расположим следующие четыре зависимости (Рис. 7):
1) температура газа на выходе КС от затрачиваемой мощности на привод АВО;
2) потерь давления газа на участке газопровода от температуры газа на выходе КС;
3) расхода газа на сжатие на КС от величины потерь давления на участке МГ;
4) зависимость суммарных затрат на топливный газ и электроэнергию (С - цены).
Результаты экспериментов показали, что полученная при расчётах качественная зависимость сохраняется, но потребление электроэнергии несколько выше. Возможно, это связано с более низким КПД рабочего колеса УК-2М.
Итак, в результате реализованной модернизации получено следующее:
1) совершенствование диффузоров и рабочих колес позволяет повысить КПД вентилятора, и тем самым расширить возможности существующих блоков АВО, в том числе и экономить электроэнергию;
2) использование частотно регулируемых электроприводов позволяет поддерживать температуру газа на выходе блока АВО с минимальными для данной модификации АВО энергозатратами.
Для полной реализации преимуществ модернизированных блоков АВО на КС МГ осталось ответить только на один вопрос: какую температуру газа необходимо поддерживать на выходе блока АВО газа. Исходя только из технических характеристик оборудования, на этот вопрос ответить нельзя. В работе [1] был предложен экономический подход к данной проблеме. В развитие этого подхода приведём алгоритм расчёта необходимой температуры газа на выходе КС. Для этого на одном графике расположим следующие четыре зависимости (Рис. 7):
1) температура газа на выходе КС от затрачиваемой мощности на привод АВО;
2) потерь давления газа на участке газопровода от температуры газа на выходе КС;
3) расхода газа на сжатие на КС от величины потерь давления на участке МГ;
4) зависимость суммарных затрат на топливный газ и электроэнергию (С - цены).
Движение по первой кривой автоматически приведёт к кривой затрат 4. Из этой зависимости получится экономически целесообразный режим работы блока АВО. При этом в некотором диапазоне параметров, близком к точке оптимума, затраты не будут существенно отличаться от минимальных, что облегчает процесс регулировки.
Как следует из приведенного алгоритма для его реализации необходимо знать реальные зависимости 1 - 3, которые могут быть получены только экспериментальным путём, хотя и можно начальную оценку произвести на базе стендовых испытаний.
Как следует из приведенного алгоритма для его реализации необходимо знать реальные зависимости 1 - 3, которые могут быть получены только экспериментальным путём, хотя и можно начальную оценку произвести на базе стендовых испытаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алимов С.В., Зайцев Е.Г., Кубаров С.В. Экономический подход к охлаждению природного газа на КС МГ// В печати.
2. Алимов С.В., Лифанов В.А., Миатов О.Л. Аппараты воздушного охлаждения газа: опыт эксплуатации и пути совершенствования//Газовая промышленность. - 2006. - № 6. - С. 54 - 57.
3. Аршакян И.И., Тримбач А.А. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа как важный фактор экономии энергоресурсов// В печати.
1. Алимов С.В., Зайцев Е.Г., Кубаров С.В. Экономический подход к охлаждению природного газа на КС МГ// В печати.
2. Алимов С.В., Лифанов В.А., Миатов О.Л. Аппараты воздушного охлаждения газа: опыт эксплуатации и пути совершенствования//Газовая промышленность. - 2006. - № 6. - С. 54 - 57.
3. Аршакян И.И., Тримбач А.А. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа как важный фактор экономии энергоресурсов// В печати.
Приобететение доступа к файлам
ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.
Комментарии 2