Схема охлаждения технологического газа на компрессорных станциях. Цель и технология осуществления процесса.

Компримирование газа на КС приводит к повышению его температуры на выходе станции. Численное значение этой температуры определяется ее начальным значением на входе КС и степе­нью повышения давления газа.

Излишне высокая температура газа на выходе станции, с одной стороны, может привести к разрушению изоляционного покрытия трубопровода и недопустимым температурным напряже­ниям в стенке трубы, а с другой стороны, - к снижению подачи технологического газа и увеличению энергозатрат на его компримирование (из-за увеличения его объемного расхода).

В микроклиматическом районе с холодным климатом для уча­стков с многолетнемерзлыми грунтами необходимо охлаждать газ до отрицательных температур с целью предотвращения протаивания грунтов вокруг трубопровода. В противном случае это может привести к смещению трубопровода и, как следствие, к возникно­вению аварийной ситуации.

Охлаждение газа до температуры грунта следует предусматривать на станциях охлаждения газа, обеспечивающих стабиль­ный уровень температуры в газопроводе. В других районах охлаждение газа следует предусматривать, как правило, в аппаратах воздушного охлаждения.

Количество аппаратов воздушного охлаждения следует опре­делять гидравлическим и тепловым расчетом газопровода, исходя из расчетной среднегодовой температуры наружного воздуха, среднегодовой температуры грунта и оптимальной среднегодовой температуры охлаждения газа.

При невозможности обеспечить требуемую степень устойчи­вости и прочности трубы количество аппаратов воздушного ох­лаждения должно быть увеличено.

Оптимальную среднегодовую температуру охлаждения газа необходимо принимать на 10— 15 °С выше расчетной среднегодо­вой температуры наружного воздуха. Расчетную температуру на­ружного воздуха на входе в АВО в данный рассматриваемый пери­од (год, квартал, месяц) следует вычислять по формуле

Т_в = Т_а + δ Г_а,

где Т_а — средняя температура наружного воздуха в рассматривае­мый период, определяемая по данным главы СНиП 2.01.01-82;

δ Т_а — поправка на изменчивость климатических данных, 6Т_а следует принимать равной 2 °С.

Тепловой расчет аппаратов воздушного охлаждения газа вы­полняют по " Методике теплового и аэродинамического расчета аппаратов воздушного охлаждения" института ВНИИнефтемаш. В тепловом расчете принимают 10 %-ный запас поверхности тепло­обмена, учитывающий возможность выхода из строя отдельных вентиляторов и загрязнения поверхностей теплообмена в процессе эксплуатации.

Установка охлаждения газа должна быть общей для всех газо­перекачивающих агрегатов компрессорного цеха, иметь коллекторную схему обвязки и обвод. На реконструируемых компрес­сорных станциях допускается проектировать установки охлажде­ния газа на нагнетательной линии каждой группы газоперекачива­ющих агрегатов.

Предусматривается аварийная остановку компрессорной станции при повышении температуры газа на выходе ап­паратов воздушного охлаждения газа выше 70 °С. При повышении температуры газа на выходе АВО до + 45 °С предусматривается предупредительный сигнал и автоматическое включе­ние вентиляторов АВО, находящихся в резерве.

Предельные температуры устанавливали исходя из условий термоустойчивости битумных покрытий, равной +70 °С.

В связи с увеличением диаметра газопроводов, непрерывным ростом степени сжатия, строительством газопроводов в слабозащемляющих грунтах, например в песках Средней Азии и север­ных районах, появилась необходимость поддержания температу­ры газопровода на постоянном уровне как по длине газопровода, так и во времени (изотермический режим работы газопровода). Такой режим повышает несущую способность грунта, что увеличивает надежность линейной части. Температура газа в северных условиях должна находиться на уровне температуры вечномерзлого грунта.

Применяют одноконтурные и двухконтурных (с промежуточным теплоносителем) систем охлаждения с использованием аппаратов воздушного охлаждения. При более глубоком охлаждении необходимо применять холодильные агрегаты для полного ох­лаждения, либо для доохлаждения газа после аппаратов воздушно­го охлаждения. Требования к теплообменным аппаратам: отсутствие смешения газа и охлаждающей сре­ды, малая засоряемость поверхностей теплообмена и всего аппарата, удобство ревизий и ремонта, надежность работы аппарата и отдельных его узлов. Существенное значение имеют небольшая стоимость и простота изготовления.

Теплообменные секции АВО можно распо­лагать горизонтально, вертикально, наклонно, зигзагообразно, что и определяет компоновку аппарата.

В последние годы на КС применяют аппараты воздушного охлаждения различных конструкций: горизонтальные (АВГ), вертикальные (ABB), зигзагообразные (АВЗ) и шатровые (АВШ), малопоточные обозначаются АВ-М.

Обозначение букв и цифр: в числителе - шифр аппарата (АВГ, ABB и т. д.), тип продукта (В- вязкие, ВВ — высоковязкие), число вентиляторов, давление (6, 10, 16, 25, 40, 64 кгс/см²) и группа материального оформления (Б - биметаллические трубы, М- монометаллические трубы), знаменатель - число рядов труб, число ходов и длина труб. Например, - обозначает аппарат воздушного охлаждения, горизонтальный, для вязких про­дуктов, одновентиляторный, давление 64 кгс/см², группы материального оформления Б1, шестирядный, двухходовой, с длиной труб 4 м.

Аппараты воздушного охлаждения различаются также с расположением вентилятора. При нижнем расположении вентилятора холодный воздух прокачивается через теплообменные секции под избыточным давлением, создаваемым вентилято­ром. При верхнем расположении вентилятора нагретый воздух проходит в межтрубном пространстве секции за счет разрежения, возникающего перед вентилятором.

Аппараты воздушного охлаждения следует выбирать приме­нительно к конкретным условиям с учетом необходимой поверх­ности теплообмена, рабочего давления, температуры охлаждающего воздуха, требуемой степени охлаждения, параметров охлаж­даемого газа. Теплопередающую поверхность выполняют из моно­металлических труб с оребрением (алюминий, латунь и др.) и биметаллических труб, у которых внутренние трубы выполнены и углеродистой, хромистой или нержавеющей стали, а наружные -латуни, алюминия или легкой стали. Материал труб должен обдать коррозионной устойчивостью в условиях рабочей среды, а материал ребер — коррозионной устойчивостью в атмосферных условиях.

Уменьшение температуры приводит к увеличению давления в трубопроводе, что приводит к уменьшению затрат на последующих КС.

АВО газа являются экологически чистыми устройствами для охлаждения газа, относительно просты в эксплуатации. Аппарат воздушного охлаждения газа с верхним рас­положением вентилятора:

1 — теплообменная поверхность;

2 — вентилятор; 3 — патрубок; 4 — диффузор; 5 — клиноременная передача; б — электродвигатель

Неоднородные системы охлаждения, в которых темпе­ратура газа снижается сначала в АВО, установленных на выходе газа из КС, а затем в холодильных машинах.Если необходимо охладить газ до температуры окружающего воз­духа или ниже.

Используются однородные системы с ХМ обычного типа или неоднородные системы, включающие АВО и холодильные машины. В качестве ХМ для охлаждения природно­го газа после его компримирования в данное время применяются в основном холодильные пропановые машины с ГМК типа 10ГКН. Большое внимание уделено разработке и внедрению абсорбцион­ных и пароэжекторных холодильных установок, работающих на тепле выпускных газов ГПА.

Во ВНИИГАЗ разработана технология охлаждения природно­го газа на КС в однородных системах с использованием в них па-рокомпрессионных холодильных машин, работающих на бинар­ном хладоагенте — смесь пропана (60 %) и бутана (40 %).

В настоящее время осваивается производство таких машин с электроприводными агрегатами АТП 5-8/1 и АТП 5-16/1 холодо-производительностью 9, 3— 18, 6 МВт, а также с газотурбинными агрегатами ТКА-П-6, 3/10 холодопроизводительностью 18, 6 МВт.

Рекупе­ративная система охлаждения газа РСО.

Рис. 11. Рекуперативная система охлаждения газа и характер изменения температуры:

I — рекуперативный теплообменник (РТО); 2 — нагнетатель; 3 — детандер (расширительная машина); 4 — дроссельное устройство; 5 — УТИХМ (утилизационная холодильная машина); t₁ — температура перед РТО (прямой поток газа); t₂ - температура перед ГПА; t₃ — температура перед АВО; t₄ — температура перед РТО (обратный поток газа); t_5-— температура после сис­темы охлаждения (с недорекуперацией); t_6- температура после системы охлаждения (без недорекуперации); Δ t_нр — недорекуперация; Δ Т- недоохлаждение в АВО.

В этой системе осуществляется не только первичное охлаждение газа перед его поступлением в газопровод и поддерживается постоянной температура газа в процессе его движения по газопро­воду, но и обеспечивается транспортирование газа по газопроводу при его пониженных или низких температурах. При этом газ может транспортироваться как при температурах, равных или близких к температуре грунта, так и при отрицательных температурах (-50) -(-60 °С). При этом значительно повышается пропускная способность и надежность газотранспортных магистралей.

Транспортируемый газ, имеющий температуру t₁, из газопровода поступает в рекуперативный теплообменник РТО, где за счет теплообмена с газом обратного потока нагревается до температу­ры t₂ и поступает с этой температурой на вход нагнетателя ГПА. В нагнетателе газ сжимается политропически и одновременно нагревается до температуры t₃.

Нагретый газ поступает в АВО, где охлаждается за счет тепло­обмена с атмосферным воздухом до температуры t₄. Уровень тем­пературы t₄ определяется уровнем температуры атмосферного воздуха t_a и всегда должен быть выше его на величину недоохлаждения Δ T= t₄ — t_a, оптимальные значения которой находятся обычно в пределах 10— 15 °С. Предварительно охлажденный в АВО газ затем доохлаждается в РТО за счет теплообмена с газом прямого потока до температуры t₅. Эта температура при идеальном газе бу­дет всегда выше температуры t₁, на величину недорекуперации Δ t_нр. В зависимости от площади теплообмена и эффективности ра­боты РТО величина Δ t_нр может иметь различные значения. В пре­дельном случае при бесконечно большом по площади РТО Δ t_нр = 0. Рациональные значения этой величины обычно находятся в преде­лах 8-10 °С.

Газ, имеющий после РТО температуру t_s, направляется в детандер (расширительную машину), где дополнительно охлаждает­ся за счет расширения до температуры t₆, равной входной температуре (,, и при такой температуре поступает в газопровод, где он движется до следующей КС, на которой вновь повторяется описанный выше цикл сжатия и охлаждения газа.

Температура газа может понизиться на величину Δ t_нр или до более низких температур не только в детандере, но и в холодильной машине, работающей на тепле выпускных газов ГПА, при этом газ из РТО с температурой t_s поступает в холодильную машину, где охлаждается до заданной температуры t₆, а затем попадает в газопровод.

Степень предварительного подогрева газа в РТО у этой системы Δ t_рто должна быть такой, чтобы с учетом дополнительного нагрева газа в нагнетателе ГПА оказалось бы возможным сбросить получаемое газом при сжатии тепло с помощью АВО в окружаю­щий атмосферный воздух. При этом температура конца охлаждения в АВО — t₄ всегда должна оставаться более высокой, чем тем­пература атмосферного воздуха. При бесконечно большом по площади РТО и, следовательно, Δ t_нр =0 падение температуры газа в АВО точно равняется повышению температуры газа при его сжа­тии в нагнетателе ГПА. При наличии недорекуперации падение температуры в АВО всегда будет меньшим на величину падения температуры в детандере. В этом случае требуемая степень повы­шения давления газа в нагнетателе должна быть выше степени по­вышения давления, необходимого для восстановления потерь дав­ления в газопроводе, на величину, обеспечивающую снятие недорекуперации за счет расширения газа в детандере.

В некоторых случаях более целесообразным может оказаться использование при реальных газах вместо детандера эффекта Джоуля-Томпсона, создаваемого путем пропускания газа через дроссельное устройство. В этом случае отпадает необходимость в применении детандера, что существенно упрощает конструкцию и эксплуатационные характеристики системы.

При эксплуатации газопроводов с температурами транспорти­руемого газа, близкими к температуре грунта, в большинстве случаев отсутствует необходимость строгого соблюдения равенства температур на входе и выходе КС. Обычно допускается, чтобы температура газа на выходе была на 4 —8 °С выше температуры газа на входе. При движении газа но газопроводу от одной КС до другой это превышение температуры будет снято за счет отвода тепла в окружающий грунт. В этом случае роль устройства, снима­ющего недорекуперацию, будет играть сам газопровод.

Если газ транспортируется при низких температурах и по трубопроводу, имеющему тепловую изоляцию стенок, то, как показывают специальные расчеты, при хорошей изоляции будет наблюдаться некоторое (на 4 — 8 °С) снижение температуры газа по мере движения его от одной КС до другой вследствие его изоэнтальпического расширения. Очевидно, и в этом случае трубопровод будет также играть роль устройства, снимающего недорекуперацию газа в системе охлаждения.

В обоих этих случаях газ будет поступать в трубопровод непосредственно с температурой t_s, более высокой, чем температура t1, охлаждаться в нем за счет того или иного эффекта до температуры t, и с этой температурой поступать к следующей КС.

Полное охлаждение газа до его первоначальной температуры может потребоваться только при транспортировке газа по трубопроводу в условиях вечной мерзлоты. Устранение возможности растепления вечномерзлых грунтов требует, чтобы температура газа после системы охлаждения равнялась бы температуре газа до нее, и обе они вместе должны равняться температуре вечномерзлого грунта. В этом, последнем, случае система должна применять­ся в полном объеме, с " внутренним" снятием недорекуперации и с использованием детандера (холодильной машины) или дроссельного устройства.

Таким образом, в рассматриваемой системе температурный потенциал сжатого газа повышается за счет рекуперации тепла до уровня, позволяющего сбросить получаемое газом при сжатии в нагнетателе тепло в окружающую среду с помощью обычных АВО, т. е. уровня, превышающего t_a. При этом затрачивается дополнительная работа, равная разнице работ сжатия газа с началь­ными температурами, равными температурам после и до РТО. Последнее означает, что описываемая система по характерным признакам аналогична любым другим системам охлаждения, задача которых также заключается в повышении за счет затраты определенного количества работы температурного потенциала рабоче­го тела с некоторого, более низкого уровня, до относительно более высокого, при котором отбираемое на низком температурном потенциале тепло может уже сбрасываться в окружающую среду.