Беркутов Руслан Анварович ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ
advertisement
УДК 622.691.4.052.006.004.53 На правах рукописи Беркутов Руслан Анварович ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа 2010 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет». Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Степанов Олег Андреевич Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Абдуллин Рафиль Сайфуллович - кандидат технических наук, профессор Бахмат Геннадий Викторович Ведущая организация - ООО «ТюменьНИИгипрогаз» Защита диссертации состоится «16» декабря 2010 г. в 900 на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР». Автореферат разослан «15» ноября 2010 года. Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Л. П. Худякова 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы В настоящее время топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является одной из устойчиво работающих производственных отраслей российской экономики. Он оказывает влияние на состояние и перспективы развития национальной экономики, обеспечивая: около 1/4 производства ВВП, 1/3 объема промышленного производства и доходов консолидированного бюджета России, примерно половину доходов федерального бюджета, экспорта и валютных поступлений, а лидирующие позиции в ТЭК страны занимает газовая промышленность. В газовой промышленности с целью повышения эффективности ее функционирования предусматривается внедрение новейших достижений научно-технического прогрессивных переработки прогресса, технологий газа, связанных бурения, совершенствованием добычи, с использованием транспортировки газотранспортной и системы, повышением энергоэффективности транспорта газа, размеров, систем аккумулирования его запасов, а также технологий сжижения газа. Все эти меры предусматривают дальнейшее увеличение стоимости единицы природного газа как для внешнего, так и для внутреннего рынка. Следовательно, вопрос об энергосбережении для газовой отрасли остается наиболее актуальным. Модернизация газотранспортной системы предусматривает создание высоконадежных коррозионно-стойких труб для магистральных газопроводов, использование новейших энергосберегающих технологий утилизации теплоты дымовых газов ГТУ, а также оптимизацию режимов работы систем охлаждения и компримирования газа. Для повышения энергетической эффективности систем охлаждения газа необходимо обоснование периодичности и применение экономичного способа 3 чистки оребренных поверхностей. В настоящее время отсутствуют методики, учитывающие изменение тепловых характеристик аппаратов воздушного охлаждения (АВО) по мере загрязнения поверхностей теплообменных труб, определяющих численное значение и динамику развития загрязнений. Для решения оптимизационных задач и управления режимами работы парка АВО необходимо создание методики определения оптимальной глубины охлаждения газа в зависимости от колебаний параметров газа и воздуха, а также разработка критериев оценки тепловой и энергетической эффективности аппаратов. Целью диссертационной работы является повышение энергоэффективности и снижение эксплуатационных затрат в системах охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Основные задачи исследований разработка дополнительных критериев оценки эффективности АВО и их определение при загрязнении наружных поверхностей; при разработка метода расчета оптимальной глубины охлаждения газа номинальных режимах работы газопровода для снижения эксплуатационных затрат; разработка опытно-промышленной установки гидродинамической чистки загрязненных поверхностей и определение периодичности их очистки с наибольшим экономическим эффектом. Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось путем теоретических и экспериментальных исследований, для которых использовались статистические данные и информация, полученная с помощью стандартных средств и методов измерений в условиях эксплуатации. Эксперименты проведены на промышленных объектах. Обработка данных произведена с применением математической статистики, теории вероятностей и вычислительной техники. 4 Научная новизна получены полуэмпирические уравнения для расчета коэффициента эффективности ребра с учетом поправочного коэффициента в зависимости от температуры наружного воздуха для основных типов АВО газа; предложен метод прогнозирования динамики развития загрязнений оребренных поверхностей методом корреляционно-регрессионного анализа диспетчерских данных; разработаны дополнительные критерии оценки тепловой, энергетической и экономической эффективности работы системы охлаждения газа в условиях эксплуатации с учетом загрязнений оребренных поверхностей теплообмена; разработан метод определения оптимальной глубины охлаждения газа, учитывающий технологические характеристики силового оборудования и экономические показатели. Основные защищаемые положения. Критериальные зависимости оценки тепловой, энергетической и экономической эффективности аппаратов воздушного охлаждения газа на КС МГ. Методы прогнозирования динамики развития загрязнений оребренных поверхностей, их влияние на характеристики АВО и способы борьбы с ними. Практическая ценность работы. разработан метод расчета периодичности чистки и экономического эффекта; даны рекомендации по выбору оборудования и проведению очистки оребренных поверхностей теплообмена АВО гидродинамическим методом и реализованы на КС-11 Богандинского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Сургут», доказана высокая эффективность данного способа; предложена блок-схема программного обеспечения, позволяющего принимать оперативные решения по изменению режимов работы вентиляторов АВО с целью достижения оптимальной глубины охлаждения газа и максимального экономического эффекта. 5 Апробация работы Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2008; 2009 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (Тюмень, 2008; 2009 гг.); Всероссийской научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2008г.); Всероссийской конференции «Молодежная наука и инновации» (Челябинск, 2008 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири» (Тюмень, 2009 г.); Нефтегазовый форум. XVIII Международная специализированная выставка «Газ. Нефть. Технологии - 2010» (Уфа, 2010 г.). Публикации По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в реферируемых изданиях по списку ВАК. Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и семи приложений; содержит 173 страницы машинописного текста, в том числе 25 таблиц, 36 рисунков. Список использованной литературы включает 126 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи, научная новизна и практическая 6 ценность результатов проведенных исследований. В первой главе дан обзор основных видов и конструкций АВО, способы повышения тепловой эффективности аппаратов (чистка внутренних и наружных поверхностей, совершенствование поверхности и компоновки теплообменных труб) и особенности эксплуатации аппаратов в нестационарных режимах работы. Проведен анализ отечественных и зарубежных публикаций, посвященных различным аспектам оборудования промышленной эксплуатации в системе магистрального теплообменного транспорта газа. Вопросами охлаждения газа занимались научно - исследовательские, проектные организации и учебные заведения: ВНИИГАЗ, ВНИИНЕФТЕМАШ, ГИПРОСПЕЦГАЗ, ВНИПИТРАНСГАЗ, ЮЖНИИГИПРОГАЗ, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, УГНТУ, СОЮЗГАЗПРОЕКТ, ГУП «ИПТЭР», ТюмГНГУ и др. Теоретическим исследованиям и основам проектирования газопроводов большой пропускной способности с центробежными нагнетателями и охлаждением газа после них на КС МГ посвящены работы Р.Н. Бикчентая, З.Т. Галиуллина, М.А. Жидковой, А.А. Жукаускаса, С.В. Карпова, В.И. Кочергина, Б.Л. Кривошеина, О.А. Степанова, И.Е. Ходановича, А.В. Чиркина, М.М. Шпотаковского и других авторов. Вопросам увеличения теплоотдачи АВО и оптимальной глубины охлаждения газа посвящены работы Н.А. Гарриса, Ф.Ф. Абузовой, И.Р. Байкова, В.М. Кейса, В.Б. Кунтыша, А.Л. Лондона, В.А.Маланичева, О.Л. Миатова, A.M. Типайлова, П.А. Аксенова, Н.В. Дашунина, Ю.В. Забродина и др. Рассмотрены различные способы очистки оребренных поверхностей теплообмена АВО (пароструйная и пескоструйная чистка, промывка из брандспойтов, продувка воздухом) и промывка с использованием чистящих растворов. Найден экономичный способ 7 чистки оребренных труб высоконапорным гидродинамическим методом. Установлено, что для его применения необходимо экспериментальное подтверждение эффективности процесса и обоснование периодичности чистки. Во второй главе автором исследованы методики гидравлического и тепловых расчетов аппаратов воздушного охлаждения. Существующие в настоящее время методики расчетов АВО (ВНИИГАЗа, ВНИИнефтемаша, А.А. Жукаускаса и В.Б. Кунтыша) не учитывают промышленные условия эксплуатации. Для учета влияния на теплообмен загрязнений наружных оребренных поверхностей аппаратов в зависимость для определения коэффициента теплопередачи автором введено значение термического сопротивления: К 1 ( ст Rзаг.н. ) вн р.пр. ст 1 1 Q , H ср Вт ; м2 К (1) где Rзаг.н. - тепловое сопротивление загрязнений оребренной поверхности, м2 К . Вт Особенностью расчета АВО, по сравнению с другими типами теплообменных аппаратов, является определение коэффициента эффективности ребра Е р , который представляет собой отношение отводимого им теплового потока к тому тепловому потоку, который отвело бы такое же ребро с бесконечно большой теплопроводностью и постоянной температурой всей поверхности, равной температуре в основании. В работе автором проведен сравнительный анализ экспериментальных данных с расчетными значениями Е р по трем зависимостям (графической, от критерия Био, Жукаускаса). В ряде случаев величина невязки достаточно велика (до 26 %), это объясняется как погрешностью эксперимента, так и наличием загрязнений наружных поверхностей теплообмена. Учитывая приоритетность использования зависимости от критерия Био, введено значение поправочного коэффициента: 8 h th СР Е р Е h СР 2 Bi , (2) 2 Bi где Е - безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий отношение коэффициента эффективности ребра полученного Жукаускасом А.А. к зависимости эффективности ребра от критерия Био при аналогичных условиях. Значения поправочных коэффициентов для четырех типов аппаратов приведены на рисунках 1-4. Рисунок 1 - Зависимость поправочного коэффициента от температуры наружного воздуха для АВО «Ничимен» Рисунок 2 - Зависимость поправочного коэффициента от температуры наружного воздуха для АВО «Хадсон» Рисунок 3 - Зависимость Рисунок 4 - Зависимость поправочного коэффициента от поправочного коэффициента от температуры наружного воздуха для температуры наружного воздуха для АВО «Крезо-Луар» 2АВГ-75С 9 Общий вид уравнения для определения поправочного коэффициента имеет вид: Е Р К 40 t Н .В. , 80 (3) где Р (4, 27 103...4,54 103 ) и К (0,95574...0,98428) - коэффициенты, зависящие от марки аппарата. Зависимость коэффициента эффективности ребра от критерия Био является более предпочтительной, так как выражает физический смысл процесса, а использование полученного уравнения (3) позволяет оценить Е р по данным, полученным опытным путем. В третьей главе автором корреляционно-регрессионного определения поверхностей динамики анализа развития теплообмена предложено статистических загрязнений АВО. использование Для данных наружных построения метода для оребренных корреляционно- регрессионной модели были использованы данные за 2007 г. из диспетчерского журнала КЦ-1 КС-11 Богандинского ЛПУ МГ газопровода Уренгой-СургутЧелябинск, для АВО фирмы «Ничимен», число включенных вентиляторов по данным журнала учета работы АВО. Было изучено влияние на температуру газа на выходе АВО (в общем коллекторе) следующих факторов: температуры газа до АВО (в общем коллекторе); среднесуточной температура воздуха в районе площадки АВО; расхода газа (цехового); числа работающих вентиляторов; средней скорость ветра за сутки. Надежность анализа оценивается по коэффициенту детерминации ( R 2 ), который указывает какой процент вариаций функции У объясняется воздействием факторов Х, определяется как квадрат коэффициента корреляции. Изменение R 2 в течение года представлено на рисунке 5. Коэффициент детерминации R2 изменяется в течение года, а, следовательно, изменяется количество факторов, не учтенных в регрессионной модели и увеличивающих температуру газа на выходе из АВО. 10 Рисунок 5 - Изменение коэффициента детерминации в течение года, % Из работ А.А. Габдрахманова, И.М. Камалетдинова известно, что влияние загрязнений внутренних поверхностей теплообмена носит существенный характер только для аппаратов, находящихся в эксплуатации более 20 лет, а их развитие в течение года незначительно. В связи с этим считаем, что изменение коэффициента детерминации связано с ростом термических сопротивлений наружных оребренных поверхностей теплообмена АВО. Для определения динамики развития использовано понятие коэффициента коэффициент, выражающий термических сопротивлений загрязнения. отношение К ЗАГ –безразмерный действительного коэффициента теплопередачи к коэффициенту теплопередачи очищенной поверхности при аналогичных параметрах; изменяется теоретически в пределах от 1 до 0. К ЗАГ К ДЕЙСТ КЧИСТ 1. (4) Термическое сопротивление загрязнений оребренной поверхности АВО будет определяться с учетом ежемесячного прироста коэффициента загрязнений: Rзаг.н. 1 1 1 [ ( ст ал ) ] К Расч К ЗАГ вн р.пр. ст ал где К Расч - расчетный коэффициент теплопередачи, 11 Вт м2 К , м2 К ; Вт (5) ; К ЗАГ - коэффициент загрязнения, % . Изменение термического сопротивления в году показан на рисунке 6. Рисунок 6 - Изменение термического сопротивления в течение года, м2 К Вт Как видно из рисунка 6 основное увеличение значений термических сопротивлений приходится на летние месяцы, это объясняется присутствием в воздухе пыли и растительности (одуванчик, тополиный пух и т.д.). А прирост в апреле, мае обусловлен оттаиванием верхнего слоя грунта и заносом в оребренную поверхность песка, прошлогодней листвы и травы, встречающихся в образцах загрязнений. Следует отметить, что динамика развития загрязнений индивидуальна для каждой компрессорной станции и зависит от климатических особенностей, растительности и планировки площадки КС. В четвертой главе автором предложены критериальные зависимости для оценки эффективности аппаратов воздушного охлаждения газа и методика расчета АВО с их использованием. Термодинамическая эффективность теплообменника определяется как отношение фактического теплового потока в данном теплообменнике к максимально возможному тепловому потоку в нем. Для определения значений тепловой эффективности с учетом термических сопротивлений, известные зависимости были представлены в следующем виде: 12 Е H ср К К ЗАГ Q , Qmax Wmin ( 1 t1 ) (6) где Qmax – максимально возможный тепловой поток, который может быть передан в идеальном противоточном теплообменнике с бесконечно большой поверхностью теплопередачи, Вт; WГ ,Wmin - водяные эквиваленты потоков, Вт/К. К К ЗАГ Н 0,78 Wmin W К К ЗАГ Н 0,22 Е 1 exp [(( ) ) 1] max ( ) . Wmin Wmax Wmin Wmin На рисунке 7 представлена полученная зависимость (7) тепловой эффективности АВО от термических сопротивлений. Рисунок 7 – Изменение тепловой эффективности АВО “Ничимен” в зависимости от термического сопротивления загрязнений Для быстрого пересчета аппаратов воздушного охлаждения на режимы работы с одним включенным вентилятором и при естественной конвекции введено понятие коэффициента относительной тепловой эффективности ЕОТЭ . Коэффициент относительной тепловой эффективности определялся как отношение теплосъема при одном работающем вентиляторе и при естественной 13 конвекции к теплосъему при двух работающих вентиляторах: ЕОТЭ Q0,1 / Q2 , (8) где Q0,1 – теплосъем при одном работающем вентиляторе и при естественной конвекции, МВт ; Q2 – теплосъем при двух рабочих вентиляторах МВт . На рисунке 8 представлены значения коэффициента относительной тепловой эффективности для АВО «Ничимен» при различных температурах наружного воздуха. Рисунок 8 - Значение коэффициента относительной тепловой эффективности АВО «Ничимен» Как видно из рисунка, среднее значение относительной тепловой эффективности при одном включенном вентиляторе составляет 0,6930, а в режиме естественной конвекции 0,2287. Расчеты с использованием различных входных параметров газа дают аналогичный результат. Аналогично были определены коэффициенты относительной тепловой эффективности для четырех распространенных на КС типов аппаратов воздушного охлаждения. В таблице 1 представлены значения ЕОТЭ для АВО «Ничимен», «Хадсон», «Крезо-Луар», 2АВГ-75С. Полученные коэффициенты относительной тепловой эффективности не только упрощают пересчет аппаратов на другие режимы работы, но и являются необходимым условием для оперативного регулирования системы охлаждения. 14 Таблица 1 - Значения коэффициентов относительной тепловой эффективности Тип аппарата ЕОТЭ при 1 рабочем вентиляторе ЕОТЭ при естественной конвекции «Крезо- «Ничимен» «Хадсон» 0,6930 0,6913 0,7042 0,6895 0,2287 0,2273 0,2394 0,2250 Луар» 2АВГ-75С С учетом полученных коэффициентов представлены уравнения для определения тепловой эффективности аппарата воздушного охлаждения при работе одного вентилятора и в режиме естественной конвекции: Еi Q2 ЕОТЭ i Qi . Qmax Qmax (9) Еi Е2 ЕОТЭ i . (10) Для оценки эффективности различных типов аппаратов использовано понятие энергетического коэффициента эффективности, предложенного Г.В. Бахматом. Данный коэффициент выражает отношение количества теплоты, переданного АВО, к затратам мощности, необходимой для перекачки теплоносителей, т.е. он представляет собой тепловыделения на единицу затраченной работы: ЕЭН Q /( N Вент N Гидр ), (11) где Q – теплосъем в АВО, Вт ; N Вент , N Гидр – мощность, затраченная на привод вентиляторов АВО и на преодоление гидравлических сопротивлений аппарата соответственно, Вт . С учетом параметров эффективности, уравнение (11) представлено в следующем виде: ЕЭН Е Wmin ( 1 t1 ) N Вент n GГ Р 1 (12) Г ЕЭН (Q ЕОТЭ ) /( N Вент N Гидр ). 15 . (13) ЕОТЭ Е Wmin ( 1 t1 ) . 1 N Вент n GГ Р ЕЭН (14) Г Результаты расчета энергетического коэффициента АВО «Ничимен» представлены на рисунке 9. Рисунок 9 - Энергетический коэффициент эффективности АВО «Ничимен» Как видно из рисунка, коэффициент Е ЭН имеет максимальное значение при расходе газа через аппарат равном 35 кг/с, это и есть оптимальный режим. Для сравнительной характеристики отличия действительного Е ЭН от оптимального автором введено понятие коэффициента загрузки, который представляет собой отношение действительного коэффициента энергетической эффективности к его максимальному значению: ЕЗ ЕЭН ЕЭН МАХ 1. (15) Для рассмотренного примера ЕЭН МАХ = 42,3965 при расходе газа 35 кг/с, допустим, что действительный расход 60 кг/с, в этом случае Е З 32,5126 / 42,3965 0,7669 . В таких случаях ЕЭН можно повысить путем перекрытия отсекающих задвижек одного или нескольких аппаратов, либо осуществить перепуск газа по 16 байпасным линиям, при условии соблюдения заданного режима охлаждения. Значения коэффициентов загрузки позволяют принимать решения о выводе в ремонт или резерв аппаратов воздушного охлаждения в более подходящее время, когда за счет отключения одного из АВО можно повысить ЕЗ в других аппаратах. Это наиболее характерно для летних месяцев, когда снижается объем перекачиваемого газа. Для определения оптимальной экономического эффекта работы системы охлаждения, экономического эффекта чистки АВО автором была разработана методика расчета оптимальной глубины охлаждения газа на КС. Данный метод основан на сопоставлении затрат на охлаждение на одной станции и расхода топливного газа на повышение давления до максимально рабочего на следующей, это позволяет учесть теплообмен линейной части и тип привода компрессорных агрегатов. Глубина охлаждения для разного количества включенных вентиляторов рассчитывается не одинаково, поэтому этот показатель будем вычислять по следующему алгоритму: 1. При всех отключенных вентиляторах: t Г (QВ ЕОТЭ n АВО ) /( М С РМГ ), С. (16) 2. Если включено менее половины вентиляторов глубина охлаждения рассчитывается по формуле: t Г (0,7 QВ nВ ЕОТЭ QВ (n АВО nВ )) /( М С РМГ ), С. (17) 3. Если включена половина или более вентиляторов: t Г (0,7 QВ (2 n АВО nВ ) QВ (nВ n АВО )) /( М С РМГ ), С. (18) где n АВО – число АВО, установленных на одной КС для газопровода; nВ – число работающих вентиляторов; QС – тепловой поток, отводимый в одном АВО при отключенных вентиляторах, Вт ; QВ – тепловой поток, отводимый в одном АВО при включенных вентиляторах, Вт . Уменьшение расхода топливного компрессоров рассчитывается по формуле: 17 газа при снижении мощности G Г N /( Q НР ), нм 3 / с. (19) По действующим тарифам на электроэнергию и топливный газ рассчитывается разность затрат на газа и электроэнергию за год по сравнению с режимом работы без охлаждения. Э = (D GГ ×Ц Г ×3600 - D N В ×Ц ЭЛ ) ×24 ×365, руб; (20) 3 3 где Ц Г - стоимость 1 м газа, руб / м ; Ц ЭЛ - стоимость 1 кВт ч электроэнергии, руб /(кВт ч) . При определенной глубине охлаждения показатель Э будет максимальным – это оптимальный режим перекачки газа. Для сравнительной оценки введено понятие коэффициента экономической эффективности, который представляет собой отношение действительного значения экономии за счет охлаждения к его максимальному значению: ЕЭ ЭФАКТ , ЭМАХ (21) где ЭФАКТ – фактическое значение экономии, тыс.руб/мес; ЭМАХ - максимальное значение экономии, тыс.руб/мес. По вышеизложенной методике был произведен расчет оптимальной глубины охлаждения газа для КС-11 Богандинского ЛПУ МГ Уренгой-СургутЧелябинск. Были получены значения экономического эффекта, произведено сопоставление расчетных и действительных значений (рисунок 10, таблица 2). Как видно из таблицы 2, работа системы охлаждения на протяжении всего года экономически не оптимальна, что обусловлено низкими коэффициентами экономической эффективности. В каждый период имеет место переохлаждение газа, что приводит к дополнительным затратам электроэнергии на привод вентиляторов АВО. Анализ полученных данных показывает, что упущенная выгода только на одной КС составит около 2,3 млн.руб/год, так для магистрального газопровода Уренгой-Сургут-Челябинск на территории Тюменской области эта цифра составит около 60 млн.руб/год. Для этих целей автором разработан алгоритм программного обеспечения, позволяющий 18 оперативно определять экономически оправданное число работающих вентиляторов. Рисунок 10 - Значение экономического эффекта тыс.руб/мес в зависимости от числа включенных вентиляторов Таблица 2 - Сопоставление расчетных и действительных значений Период Зима Весна Осень Температура газа на Чистая прибыль Э, входе в участок тыс.руб/мес газопровода Т ВЫХ , °С ДействиДействиРасчетное Расчетное тельное тельное 27,2 21,6 378,1 117,3 32,0 24,6 159,4 -52,4 30,9 25,0 323,4 134,1 Количество включенных вентиляторов ДействиРасчетное тельное 9 19 12 26 14 27 ЕЭ 0,3102 -0,3287 0,4147 В пятой главе представлена методика экспериментальных исследований, которые проводились в производственных условиях на КС-11 Богандинского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Сургут» ОАО «Газпром» газопровода Уренгой-Сургут-Челябинск 11 августа 2009 года с 8:00 до 17:00. Для экспериментов выбраны АВО «Ничимен». Отметим, что все аппараты были в равной степени загрязнены пылью и растительным пухом, а с момента предыдущей чистки пароструйным методом прошло четыре месяца. Целью экспериментальных исследований являлось: проведение очистки оребренных поверхностей АВО гидродинамическим методом, испытание 19 конструкции гидродинамической насадки, определение качества чистки; разработка рекомендаций по проведению чистки АВО и экспериментальное определение оптимального угла наклона гидродинамической струи; определение экономического эффекта и обоснование периодичности чистки АВО. Спроектированная гидродинамическая насадка состоит из двух участков: конический сходящийся порядка 10-30 мм длиной, угол конуса 13-14°, затем цилиндрический участок длиной примерно 3 диаметра (рис. 11). Необходимым условием является перепад давления на насадке порядка 7,0-8,0 МПа, с учетом потерь по шлангу и в пистолете общее давление агрегата может составлять от 12,0 до 18,0 МПа. В качестве насосного агрегата использовали установку Karcher HDS 798 Eco с производительностью 750 л/ч и давлением 18,0 МПа. Экспериментально определен угол наклона гидродинамической струи, который составил 63. Рисунок 11 - Гидродинамическая насадка с диаметром сопла 1,6 мм Для измерения температурных полей воздушной среды до и после гидродинамической чистки были использованы кабельные термоэлектрические преобразователи ТХК 0006 в количестве 32 штук и многоканальный измеритель температуры ИТ-2. Прибор измеряет температуру в интервале от 40 до +600°С с точностью ±0,5°С и разрешением 0,1°С. Термоэлектрические преобразователи были равномерно распределены по всей плоскости аппарата, 20 поэтому температуру воздуха на выходе из АВО определяли как среднеарифметическое значение. Показания записывались с интервалом в десять минут в течение часа. До чистки с 10:20 до 11:20, после чистки с 14:00 до 15:00. Сопоставив данные эксперимента с динамикой развития загрязнений оребренной поверхности теплообмена АВО отметим, что расчетный коэффициент теплопередачи загрязненного аппарата на момент проведения эксперимента составил 7,8550 Вт /( м2 К ) , а чистого 8,9250 Вт /( м2 К ) , что подтверждает предложенную динамику развития (4,51 16,369 17,508 18,031 5,154) 105 0,000616 ( м2 К ) / Вт , загрязнений а небольшие различия объясняются неудовлетворительным качеством предыдущей чистки и погрешностью эксперимента. Анализируя расчетное значение коэффициента теплопередачи 8,9320 Вт /( м2 К ) с коэффициентом теплопередачи чистого аппарата, можно сделать вывод, что очистка АВО гидроструйным методом позволяет восстановить характеристики аппарата до расчетных значений и полностью ликвидировать загрязнения наружных поверхностей теплообмена. Как результат - увеличение тепловой эффективности с 0,4858 до 0,5185, что подтверждает теоретические расчеты (рис. 7). Автором рассмотрен наиболее предпочтительный вариант проведения чистки два раза в год: в конце апреля и в середине августа. В этом случае термическое загрязнение к концу апреля составит 0,000421 м 2 К / Вт . После проведенной чистки оно будет сведено к 0, а к августу составит 0,000654 м 2 К / Вт . Экономический эффект чистки определяется по формуле: ЭЧ Э Э / , тыс. руб / мес; (22) где ЭЧ – экономический эффект чистки, тыс.руб/мес; Э - чистая прибыль без учета загрязнений АВО, тыс.руб/месс; Э/ - чистая прибыль с учетом загрязнений АВО, тыс.руб/мес. Таким образом экономический эффект составляет весной – 47,7 тыс.руб/мес, летом – 33,1 тыс.руб/мес. Прибыль от чистки в зимний период 21 составляет в среднем 60 тыс.руб./мес. Годовая прибыль от чистки парка АВО газа (14 аппаратов) гидродинамическим методом составляет около 600 тыс.руб/год. Эффективность охлаждения газа при этом увеличивается на 0,8…1,2°С, а при проведении чистки один раз в год – 2,4°С. Основные выводы и результаты В диссертации разработаны методы и критерии оценки эффективности работы аппаратов воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов в условиях эксплуатации. Выявлено влияние загрязнений наружных оребренных поверхностей теплообмена на эффективность процесса охлаждения. В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты: 1. круглого Предложен метод расчета коэффициента эффективности для ребра на основании экспериментальных данных, получены полуэмпирические уравнения с учетом поправочного коэффициента для основных типов АВО. 2. Предложен метод прогнозирования динамики развития загрязнений оребренных поверхностей методом корреляционно-регрессионного анализа диспетчерских данных. Определены термические сопротивления для парка АВО КЦ-1 КС-11 Богандинского ЛПУ магистрального газопровода УренгойСургут-Челябинск. 3. Приведены основные энергетические характеристики оценки эффективности работы АВО газа, осуществлен их расчет для основных типов аппаратов на КС МГ. Предложены удельные характеристики, учитывающие затраты энергии, которые могут быть использованы для сопоставления аппаратов различных марок в условиях эксплуатации и на стадии проектирования. 4. Разработан метод определения оптимальной глубины охлаждения газа, учитывающий технологические характеристики силового оборудования и экономические показатели. 22 5. Приведена блок-схема программного обеспечения, позволяющего принимать оперативные решения по вводу и выводу вентиляторов АВО из работы для поддержания оптимальной глубины охлаждения газа и получения максимального экономического эффекта при номинальных режимах работы газопровода. 6. Разработана опытно-промышленная установка для проведения гидродинамической чистки оребренных поверхностей. Осуществлены экспериментальные исследования параметров гидродинамической струи, на основании которых определены оптимальные значения. Проведен расчет экономического эффекта. Обоснована периодичность чистки и даны рекомендации по организации технологического процесса чистки. Основные результаты работы опубликованы В изданиях, реферируемых ВАК: 1. Беркутов Р.А. Оценка загрязнений аппаратов воздушного охлаждения методом корреляционно-регрессионного анализа // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2010. – № 1. – С. 123 – 127. 2. Беркутов оптимальной Р.А., глубины Малюшин охлаждения Н.А. газа на Оперативное определение компрессорных станциях магистральных газопроводов // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2010. – № 4. – С. 53 – 58. в прочих изданиях: 3. Беркутов Р.А. Влияние эксплуатационных загрязнений на тепловые характеристики аппаратов воздушного охлаждения газа // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. – Тюмень, 2008.– С. 107 – 111. 4. Беркутов Р.А. Коэффициент эффективности аппаратов воздушного охлаждения газа при различных режимах работы // Проблемы теплоэнергетики: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Челябинск, 2008.– С. 22 – 26. 23 5. Беркутов Р.А. Коэффициент относительной тепловой эффективности АВО газа // Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири: материалы 3-ей Международной научно-технической конференции // Нефтегазовый терминал. – Тюмень, 2009.– №3. – С. 15 – 16. 6. аппаратов Беркутов Р.А. воздушного Коэффициент охлаждения энергетической газа на эффективности компрессорных станциях магистральных газопроводов// XVIII Международная специализированная выставка «Газ. Нефть. Технологии-2010»: материалы научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» // Нефтегазовый форум. – Уфа, 2010. – С.392-393. 7. охлаждения Беркутов Р.А. Номограмма режимов работы аппаратов воздушного газа с учетом коэффициента загрязнения // Энерго-и ресурсосбережение, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых. – Екатеринбург, 2008.– С. 40 – 42. 8. аппаратов Беркутов Р.А. Определение динамики развития загрязнений воздушного охлаждения газа методом корреляционно- регрессионного анализа // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. – Тюмень, 2009.– С. 15 – 19. 9. Беркутов Р.А. Эффективность аппаратов воздушного охлаждения газа при различных режимах работы // Энерго- и ресурсосбережение, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых. – Екатеринбург, 2008.– С. 42 – 45. 10. Беркутов Р.А., Бутуев А.А. Лабораторная установка для изучения влияния загрязнений на тепловые характеристики аппаратов воздушного 24 охлаждения// Проблемы теплоэнергетики: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Челябинск, 2009.– С. 19 – 23. 11. Беркутов Р.А., Мурзин Д.Ф. Применение метода корреляционно- регрессионного анализа с целью прогнозирования параметров аппаратов воздушного охлаждения // Проблемы теплоэнергетики: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Челябинск, 2009.– С. 16 – 19. 12. Беркутов Р.А., Санникова Л.В. Номограмма режимов работы аппаратов воздушного охлаждения газа с учетом коэффициента загрязнения// Проблемы теплоэнергетики: сборник материалов Всероссийской научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Челябинск, 2009.– С. 23 – 27. Фонд содействия развитию научных исследований Подписано к печати 13.11.2010 г. Бумага писчая. Заказ № 430. Тираж 100 экз. Ротапринт ГУП «ИПТЭР», 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3. 25