РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДБОРУ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ ГАЗА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СОСТАВЕ ГРС, КС
Р. Е. Агабабян, генеральный директор
Н. М. Соловьёва, главный специалист по нефтегазовому оборудованию
П. В. Хворостян, инженер-конструктор 2 категории
Данная работа выполнена в соответствии с решением совещания по вопросу применения подогревателей газа на объектах транспорта газа ОАО «Газпром», утверждённым начальником Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа ОАО «Газпром» Б. В. Будзуляком 20 марта 2006 года.
При использовании в системах подготовки и транспорта природного газа теплоиспользующих установок одним из ключевых вопросов является экономия расхода газа на собственные нужды, для обеспечения которой требуется тщательный расчёт, подбор необходимого количества подогревателей газа определённых типов и организация их работы в номинальных режимах, с достижением наивысших значений КПД.
В составе технологического оборудования газораспределительных станций (ГРС), компрессорных станций (КС) присутствуют подогреватели газа с промежуточным теплоносителем, предназначенные для подогрева газа перед дросселированием.
Основным параметром работы ГРС, КС является их пропускная способность. Соответственно, проектными организациями при подборе подогревателей газа для использования в составе ГРС, КС,за основу принимается соответствие их пропускной способности параметрам ГРС, КС. При этом, теплопроизводительность подогревателей при работе в реальных условиях, как правило, не проверяется, при подборе оборудования не учитывается.
Фактическая загрузка ГРС, как правило, намного ниже проектной (отражаются последствия экономического спада). Подогреватели работают на режимах, в 8-10 раз ниже проектных, что отрицательно отражается на результатах их работы (обильное конденсатообразование, ненадёжная работа горелок, отказы в работе системы автоматизации).
Проектирующие и эксплуатирующие организации вынуждены использовать при нагреве газа метод смешения, заключающийся в том, что нагреву подвергается лишь часть газа, но до высокой температуры (чтобы подогреватели работали в номинальных режимах), после чего горячий газ смешивается с холодным и смесь приобретает необходимую для предотвращения гидратообразования температуру. Однако, на сегодняшний день отсутствуют какие-либо методики для корректного решения данной технологической задачи.
Рекомендации по подбору подогревателей газа для использования в составе ГРС, КС имеют целью оказание помощи проектным организациям в решении перечисленных задач.
Авторы будут благодарны читателям за отзывы о данной работе, которые будут непременно учтены при разработке второй редакции рекомендаций.
1 ВВЕДЕНИЕ
Технические данные подогревателей газа производства ООО Завод «Газпроммаш», находящихся в серийном производстве, приведены в таблице 1.
При выполнении расчётов количество и тип подогревателей газа определялось, исходя из значений температуры газа на выходе из ГРС – не ниже минус 10 0С, а на пучинистых грунтах – не ниже 0 °С [1].
Таблица 1. Основные параметры и характеристики подогревателей газа с промежуточным теплоносителем производства ООО «Газпроммаш»
|
Наименование показателя |
Значение по типам или использованиям | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
|
ГПМ-ПТПГ-5 |
ГПМ-ПТПГ-10 |
ГПМ-ПТПГ-15М |
ГПМ-ПТПГ-30М ГПМ-ПТПГ-30М-01 |
ГПМ-ПТПГ-30М-02 ГПМ-ПТПГ-30М-02-01 |
ГПМ-ПТПГ-100 ГПМ-ПТПГ-100-01 |
|
| 1. Номинальная теплопроизводи-тельность, МВт (Гкал/ч) |
0,17 (0,145)
|
0,3 (0,258)
|
0,5 (0,435)
|
1,08 (0,93)
|
1,08 (0,93)
|
2,7 (2,32)
|
| 2. Коэффициент полезного действия, %, не менее |
82
|
|||||
| 3. Диапазон производительностей по подогреваемому газу, нм3/ч |
2 000–5 000
|
4 000–10 000
|
6 000–15 000
|
15 000–30 000
|
30 000–100 000
|
|
| 4. Нагреваемая среда |
Природный газ по ОСТ 51.40-93
|
|||||
| 5. Температура подогреваемого газа на входе в подогреватель, К (°С), не ниже |
253 (минус 20)
|
263 (минус 10)
|
||||
| 6. Максимально допустимая температура подогреваемого газа на выходе из подогревателя, К (°С) |
343 (плюс 70)
|
|||||
| 7. Перепад температуры на входе и выходе из подогревателя в номинальном режиме, К (°С), не более |
70
|
60
|
||||
| 8. Давление в трубном пучке, МПа (кгс/см2) — рабочее, не более — пробное гидравлическое |
7,5 (75) 9.4 (94) |
10,0 (100) 13 (130) |
7,5 (75) 9.4 (94) |
|||
| 9. Номинальный расход топливного газа при Q =8 000 ккал/ч), нм3/ч, не более |
22
|
36
|
65
|
110
|
320
|
|
| 10. Топливо |
Природный газ по ГОСТ 5542-87
|
|||||
| 11. Греющая среда (промежуточный теплоноситель) |
Водный раствор диэтиленгликоля (ДЭГ) или охлаждающая жидкость (ОЖ) по ГОСТ 28084-89
|
|||||
| 12. Габаритные размеры без дымохода и свеч (длина/ширина/высота), мм, не более |
3 800
1 800 2 200 |
4 800
1 780 2 150 |
5 790
1 780 2 150 |
6 700
2 550 2 800 |
9 700
2 800 3 300 |
|
| 13. Масса подогревателей (без промежуточного пеплоносителя), кг, не более |
3 700
|
4 200
|
5 000
|
10 600
|
11 600
|
22 000
|
2. Подбор подогревателей газа для ГРС, КС с применением технологии смешения.
Наиболее часто при подогреве газа на ГРС, либо КС различной производительности используется технология смешения, принципиальная схема которой приведена на рисунке 1.
Поступающий на ГРС, КС газ с помощью регулирующих клапанов делится на два потока, один из которых направляется в подогреватели газа, где нагревается до заданной температуры. Оставшийся поток холодного газа смешивается в смесителях, либо непосредственно в газопроводе с горячим газом, поступающим после нагрева в подогревателях. Смесь газа направляется для снижения давления в узел редуцирования.
Рисунок 1.
На рисунке 1 приведены следующие обозначения:
1 — узел переключения,
2 — узел подогрева газа,
3 — сместитель,
4 — узел редуцирования
Gгг — расход горячего газа, подаваемого на смешение, нм3/ч;
Gхг — расход холод ного газа, подаваемого на смешение, нм3/ч;
G — расход газа на входе в ГРС, КС; нм3/ч;
Cгг, Cвх — теплоемкости горячего, холодного газа, ккал/(м3 · °С);
Cсм — теплоемкость смеси горячего с холодным газом, ккал/(м3 · С);
Cвых — теплоемкость газа на выходе из узла редуцирования, ккал/(м3 · °С);
tгг — температура горячего газа, °С;
tвх — температура газа на входе в ГРС, °С;
tсм — температура смеси горячего с холодным газом, °С;
Рвх — давление газа на входе в узел редуцирования МПа;
Рвых — давление газа на выходе из узла редуцирования, МПа.
2.1 Определение температуры газа на входе в узел редуцирования.
Снижение температуры природного газа в процессе редуцирования известно как «эффект Джоуля –Томсона» [3]. При снижении давления газа на 1 МПа происходит снижение его температуры на 5 °С. Снижение температуры газа при понижении давления от Рвх до Рвых (перепад давлений выбирается максимальным) определяем по формуле:
Δtред=(Рвх – Рвых) ∙ 5, °С (1)
г
Δtред=(Рвх – Рвых) ∙ 5, °С (1)
Δtред — снижение температуры газа в процессе редуцирования,°С;
Рвх — давление газа на входе в ГРС, МПа;
Рвых — давление газа на выходе из узла редуцирования ГРС, МПа.
В случае, если температура газа после узла редуцирования должна быть выше, чем на входе в ГРС на величину Δt (исходные данные Заказчика), в дальнейших расчётах принимаем:
tвых = tвх + Δt , °С (2)
tвых — температура газа на входе в ГРС;
tвых — температура газа на выходе из узла редуцирования.
Температуру газа на входе в узел редуцирования определяем по формуле:
tсм = tвых + Δtред (3)
tсм — температура смеси горячего и холодного газа.
2.2 Определение количества газа, направляемого на подогрев
Для определения количества газа, направляемого на подогрев в подогреватели газа составляем уравнение теплового баланса:
Gгг ∙ tгг ∙Cгг +Gхг ∙ tвх ∙Cвх = G ∙ tсм ∙ Cсм, ккал/ч (4)
Gгг — расход горячего газа, подаваемого на смешение, нм3/ч;
Gхг — расход холодного газа, подаваемого на смешение, нм3/ч;
G — расход газа на входе в ГРС; нм3/ч;
Cгг, Cвх — теплоемкости горячего, холодного газа, ккал/(м3 ∙ °С);
Cсм — теплоемкость смеси горячего с холодным газом, ккал/(м3 ∙ °С);
tгг — температура горячего газа, °С;
tсм — температура газа на входе в ГРС, °С;
tсм — температура смеси горячего с холодным газом, °С.
РАСХОД ХОЛОДНОГО ГАЗА
Учитывая, что Gхг = G – Gгг, нм3/ч, а также упрощая уравнение, получаем: (5)
Gвх = G ∙ (tсм ∙ Cсм – tвх ∙ Cвх)/(tвх ∙ Cгг – tвх ∙Cвх) (6)
Полученное уравнение устанавливает зависимость расхода газа, направляемого на подогрев в подогреватели газа от температуры его нагрева (температуры газа на выходе из подогревателя).
Задаваясь температурой горячего газа (на выходе из подогревателей), определяем по формуле 6 расход газа, направляемого на подогрев.
Рекомендуется принимать температуру газа на выходе из подогревателей равной:
tгг = tхг + Δtпод ∙ К (7)
Δtпод — перепад температур на входе-выходе из подогревателей в номинальном режиме, °С. Принимается в соответствии с данными таблицы 1.
К — коэффициент, учитывающий колебания загрузки подогревателя. Принимается равным 0,7.
2.3 Выбор типа и количества подогревателей газа
По полученному расходу подогреваемого газа выбираем тип и количество подогревателей газа по формулам:
— при использовании подогревателей газа одного типа
n = Gгг / Gпод∙ К1 (8)
n — количество подогревателей;
Gпод — производительность подогревателя, нм3/ч (принимается из таблицы 1);
К1 — коэффициент, учитывающий сезонные, суточные изменения производительности ГРС, КС. Принимается равным 0,9.
— при использовании подогревателей газа различного типа
n1=Gгг/(Gпод.1+Gпод.2)∙К1 (9)
n1 — количество подогревателей разного типа;
Gпод.1 — производительность подогревателя одного типа, нм3/ч, (принимается из таблицы 1);
Gпод.2 — производительность подогревателя другого типа, нм3/ч (принимается из таблицы 1).
Резерв мощности, как правило, не требуется, так как сезонные колебания нагрузок позволяют выполнить плановопредупредительный, либо текущий ремонт подогревателей в летнее время года. Вместе с тем, окончательное решение о необходимости резервирования тепловой мощности принимает Заказчик.
2.4 Определение полезной тепловой мощности выбранных подогревателей газа
Полезная тепловая мощность выбранных подогревателей газа определяется по [2]
Qп=Gгг ∙ (Cгг ∙ tгг – Cвх ∙ tвх), ккал/ч (10)
Полученное значение тепловой мощности позволяет проверить правильность выбора подогревателей газа и оценить, используя данные таблицы 1, режимы его работы в реальных условиях эксплуатации. Программу расчета тепловой мощности ПТПГ можно скачать здесь.
2.5.1 Для выбранного количества и типа подогревателей необходимо провести проверку скоростей подогреваемого газа в теплообменниках.
Рисунок 2. Графики зависимости скорости движения Wr подогреваемого газа в теплообменнике ГПМ-ПТПГ-5, ГПМ-ПТПГ-10, ГПМ-ПТПГ-10М от расхода G и давления Pr.
В таблице 1 приведёны технические данные подогревателей при рабочем давлении, равном 7,5 МПа (для подогревателей типа ГПМ-ПТПГ-5, ГПМ-ПТПГ-10, ГПМ-ПТПГ-15М, ГПМ-ПТПГ-30М, ГПМ-ПТПГ-100), также 10 МПа (для подогревателя ГПМ-ПТПГ-30М-02).
При этом по трубкам теплообменника протекает газ в сжатом состоянии.
Рисунок 3. Графики зависимости скорости движения Wr подогреваемого газа в теплообменнике ГПМ-ПТПГ-30М, ГПМ-ПТПГ-30М-02 от расхода G и давления Pr.
Фактические значения давления подогреваемого газа при эксплуатации подогревателей могут отличаются от указанных, при этом снижение давления приводит к увеличению объёма и, как следствие, увеличению скорости газа в трубном пучке теплообменника.
Рисунок 4. Графики зависимости скорости движения Wr подогреваемого газа в теплообменнике ГПМ-ПТПГ-100 от расхода G и давления Pr.
Скорость движения газа в теплообменнике определяется по формуле:
Wг=Gраб /f , м/с (11)
где Wг - скорость движения газа в теплообменнике м/с;
G раб – расход газа в рабочих условиях, м3 /с ;
f - проходное сечение теплообменника, м2.
Gраб = G∙(Рну/Рвх)∙(Тср/Тну)∙Z, (12)
где: Рну =0,1 МПа - давление газа в нормальных условиях; [5]
Тну =293,15 К– температура газа в нормальных условиях; [5]
Тср =(tгг+ tвх) / 2 +273 - средняя температура газа в рабочих условиях, К.
G – расход подогреваемого газа через один подогреватель, нм3/ч
Z – коэффициент сжимаемости, вычисляемый по [1]
Для выражения расхода газа в секунду времени, разделим полученное значение Gраб на 3600.
Проходное сечение теплообменника, f ,м2 принимаем из теплового расчёта подогревателей равным:
- для подогревателя ГПМ-ПТПГ-100 f = 0,0243 м2;
- для подогревателя ГПМ-ПТПГ-30М f = 0,0123 м2;
- для подогревателей ГПМ-ПТПГ-5, ГПМ-ПТПГ-10, ГПМ-ПТПГ-15М f=0,0052 м2.
Результаты расчетов скорости газа в теплообменниках при различных значениях давления и расхода подогреваемого газа представлены:
- для подогревателя ГПМ-ПТПГ-5, ГПМ-ПТПГ-10, ГПМ-ПТПГ-15М - на рисунке 2;
- для подогревателя ГПМ-ПТПГ-30М, ГПМ-ПТПГ-30М-02 – на рисунке 3;
- для подогревателя ГПМ-ПТПГ-100 – на рисунке 4.
Скорость движения газа в теплообменниках не должна быть выше 25 м/с [1]
В случае, если скорость газа в теплообменнике превышает допустимое значение, необходимо снижать расход газа через теплообменник путём увеличения количества подогревателей.
3. Определение теплоёмкости газа
Основным компонентом природного газа [4] является метан, что позволяет в расчётах принимать теплоёмкость природного газа равной теплоёмкости метана.
Зависимость теплоёмкости метана от температуры представлена таблице 2, пользуясь которой можно определять теплоёмкость метана при различных температурах.
Таблица 2 – Зависимость теплоемкости газа от температуры и давления, ккал/(м3∙°С)
| P, МПа | Температура, °С | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | |
| 1 |
0,361
|
0,361
|
0,361
|
0,363
|
0,365
|
0,367
|
0,370
|
0,374
|
0,377
|
0,381
|
| 2 |
0,381
|
0,377
|
0,375
|
0,375
|
0,375
|
0,377
|
0,379
|
0,381
|
0,384
|
0,388
|
| 3 |
0,403
|
0,396
|
0,393
|
0,389
|
0,388
|
0,386
|
0,388
|
0,388
|
0,391
|
0,393
|
| 4 |
0,426
|
0,417
|
0,409
|
0,403
|
0,400
|
0,396
|
0,396
|
0,396
|
0,398
|
0,400
|
| 5 |
0,451
|
0,439
|
0,428
|
0,419
|
0,412
|
0,409
|
0,405
|
0,405
|
0,405
|
0,407
|
| 6 |
0,477
|
0,461
|
0,447
|
0,435
|
0,426
|
0,421
|
0,416
|
0,414
|
0,414
|
0,414
|
| 7 |
0,505
|
0,484
|
0,468
|
0,451
|
0,44
|
0,433
|
0,426
|
0,423
|
0,421
|
0,421
|
| 8 |
0,53
|
0,507
|
0,488
|
0,467
|
0,454
|
0,444
|
0,437
|
0,432
|
0,428
|
0,426
|
Пример подбора типа и количества подогревателей газа с использованием схемы смешения.
1 Исходные данные
Расход газа G =100 000 нм3/ч
Давление газа на входе в узел редуцирования Рвх =5,5 МПа
Давление газа на выходе из узла редуцирования Рвых =1,2 МПа
Температура холодного газа на входе в узел редуцирования tвх = минус 8 °С
Температура холодного газа на выходе из узла редуцирования tвых = 0 °С
2 Определение температуры газа на входе в узел редуцирования.
Снижение температуры природного газа в процессе редуцирования.
Δtред= (Рвх - Рвых)∙5=(5,5-1,2)∙5=22 °С,
Температуру газа на входе в узел редуцирования определяем по формуле:
tсм = tвых + Δtред = 0+22=22°С
Температура газа на выходе из подогревателей
tгг. = tхг + Δtпод ∙ К=-8+70∙0,7=41°С
3 Определение количества газа, направляемого на подогрев
По таблице 2 определяем теплоёмкость газа при различных температурах
Cгг = 0,414 ккал/(м3∙°С)
Cвх = 0,461 ккал/(м3∙°С);
Cсм = 0,425 ккал/(м3∙°С)
Gгг = G∙(tсм∙Cсм - t вх∙C вх)/(tгг∙Cгг - t вх ∙C вх )=100000(22∙0,425 – (-8)∙0,461) / (41∙0,414-(-8)∙0,461) = 63100 нм3/ч
4 Выбор типа и количества подогревателей газа
По полученному расходу подогреваемого газа выбираем тип и количество подогревателей газа по формулам:
Примем подогреватели газа ГПМ-ПТПГ-30М (одного типа).
n = Gгг /G под. ∙ К1,=63100/30000∙0,9=2 шт
Выбираем два подогревателя типа ГПМ-ПТПГ-30М.
5 Определение полезной тепловой мощности выбранных подогревателей газа
Полезная тепловая мощность подогревателей газа
Qп = Gгг ∙(Cгг∙tгг- Cвх∙tвх),=63100∙(41∙0,414-(-8)∙0,461)∙1,304∙106 ккал/ч =1,304 Гкал/ч
Следовательно, каждый подогреватель должен передавать подогреваемому в нём газу 1,304 Гкал/ч / 2 = 0,652 Гкал/ч (70% от номинального значения, что вполне допустимо).
6 Проверка скоростей движения подогреваемого газа в теплообменниках подогревателей
Возможно определение скорости по графику, приведённому на рисунке 3, либо расчётным путём.
По рисунку 3 скорость газа Wг = 12 м/с
Вычислим скорость газа расчетным путем
Скорость движения газа в теплообменнике определяется по формуле:
Wг=Gраб / f =0,137/0,0123=11,14 м/с
Средняя температура газа в рабочих условиях
Тср =(tгг+ tвх) / 2 +273 =((41+(-8))/2)+273= 289,5 К
Через один подогреватель будет пропускаться
G1=63100/2=31550 нм3/ч
Расход газа в рабочих условиях:
Gраб = 31550∙(0,101325/(5,5+0,101325)∙(289,5/293,15)∙0,874= 492 м3/ч=0,137 м3/с
Полученное расчетным путем значение скорости газа в теплообменнике практически совпадает со значением, полученным по графику (рисунок 3).
Скорость движения газа Wг= 11,14 м/с не превышает предельно допустимой.
Подогреватели подобраны правильно.
При выполнении расчётов рекомендуем пользоваться таблицей 3.
Таблица 3
| № п/п | Наименование величины | Ед. измерения | № формулы | Численное значение |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Расход газа, нм3/ч |
нм3/ч
|
Задано
|
100000
|
| 2 | Входное давление Рвх |
МПа
|
Задано
|
5,5
|
| 3 | Выходное давление Рвых |
-
|
Задано
|
1,2
|
| 4 | Падение температуры при едуцировании на 1 МПа °С/МПа |
°С/МПа
|
Задано
|
5
|
| 5 | Перепад температур для ГПМ-ПТПГ-30М |
-
|
Задано
|
49
|
| 6 | Температура газа на выходе из ГРС tвых |
-
|
Задано
|
0
|
| 7 | Температура холодного газа на входе в ГРС tвх |
-
|
Задано
|
-8
|
| 8 | Теплоемкость выходящего газа Сг |
ккал /(м3 °С)
|
Задано
|
0,414
|
| 9 | Теплоемкость входящего газа Свх |
-
|
Задано
|
0,461
|
| 10 | Теплоемкость входящего газа после точки смешения Ссм |
-
|
Задано
|
0,425
|
| 11 | Падение температуры при редуцировании Δtред |
°С
|
1
|
22
|
| 12 | Температура горячего газа на входе в смеситель tгг |
-
|
7
|
41
|
| 13 | Температура на выходе из смесителя tсм |
°С
|
3
|
22
|
| 14 | Расход холодного газа Gхг |
-
|
5
|
36900
|
| 15 | Вычисляемый расход горячего газа Gгг |
нм3/ч
|
6
|
63100
|
| 16 |
Число выбранных подогревателей |
шт
|
8
|
2
|
| 17 | Тепловая мощность Qп |
Гкал/ч
|
10
|
1,304
|
| 18 | Температура газа при нормальных условиях Tну |
°С
|
Задано
|
293
|
| 19 | Давление газа при нормальных условиях Рну |
МПа
|
Задано
|
0,1
|
| 20 | Средняя температура газа Тср |
°С
|
-
|
289,5
|
| 21 | Расход подогреваемого газа через один подогреватель G1 |
нм3/ч
|
-
|
31550
|
| 22 | Рабочий объем газа |
м3/с
|
12
|
0,137
|
| 23 | Проходное сечение подогревателя |
м2
|
Задано
|
0,0123
|
| 24 | Скорость движения газа в теплообменнике Wг |
м/с
|
11
|
11,14
|
Список использованной литературы
- СТО 2-3.5-051-2006 Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов. ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», ОАО «Гипроспецгаз», ОАО «Гипрогазцентр», ОАО «Оргэнергогаз».- М.: ООО «Информационно-рекламный центр газовой промышленности» (ООО «ИРЦ Газпром»), 2006
- Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. Под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, Н.В. Дубровского, Э.С.Карасиной. -М.: Энергия, 1973. - 296 с.
- Теплотехнический справочник. – 2-е изд. перераб. Т.1 Под ред.В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. – М.: Энергия, 1975
- ГОСТ 5542-87 Газы природные горючие для промышленного и коммунально-бытового назначения.
- ГОСТ 2939-63 Газы. Условия определения объема.
- ГОСТ 30319.2 – 96 Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости.