Подогрев газа на ГРС

При редуцировании газ охлаждается, что способствует гидратообразованию. Гидратообразование является область, расположенная левее равновесных кривых (рис. 9). Если газ не насыщен влагой и парциальное давление водяных паров меньше упругости паров гидрата, то кристаллогидраты образовываться не будут. Для исключения гидратообразования перед дросселированием газ подогревают в теплообменниках. Температура подогрева должна быть такой, чтобы влагосодержание насыщенного газа не опускалось ниже влагосодержания газа, поступающего на ГРС. В этом случае при дрос­селировании влага не будет выпадать из газа. Действительную темпе­ратуру подогрева принимают несколько больше полученной из расчета. Теплообменники устанавливают на ГРС, в качестве теплоносителя ис­пользуют горячую воду. При расчете используют зависимость влагосо­держания насыщенного природного газа от давления и темпера­туры.

Рис. 9. График образования гидратов природных газов в зависимости от температуры и давления

Следует напомнить, что влагосодержание — это количество водяных паров в кг, которое содержится в 1 кг (1 м³) сухого газа. Так как водя­ной пар занимает весь объем смеси, влагосодержание можно определить как отношение плотности водяного пара к плотности сухого газа. Если пар в смеси находится в насыщенном состоянии, то его влагосодержание будет иметь максимальное значение. Если считать, что смесь водяных паров и газа подчиняется законам идеальных газов, тогда количество насыщенных водяных паров в 1 м³ смеси и их парциальное давление пол­ностью определяются температурой и не зависят от давления. В этом случае влагосодержание легко рассчитать по таблицам насыщенного во­дяного пара. Содержание водяных паров в сжатых горючих газах боль­ше рассчитанного, так как поведение смесей водяного пара с природным газом отклоняется от законов идеальных газов и тем больше, чем выше давление смеси, ниже ее температура и больше молекулярная масса газа.

На графике (см. рис. 2) показана зависимость влагосодержания насыщенного природного газа от температуры при различных давлениях. В данном случае влагосодержание приведено к нормальным условиям, т. е. 0º С и 101, 3 кПа. График построен для природного газа. Влагосо­держание, отнесенное к 1 кг сухого газа (W_м), определяется отношением плотности пара ρ _п к плотности сухого газа ρ _с._г, т. е. W_м⁼ρ _п/ρ _c.г. Если влагосодержание отнести к 1 м³ сухого газа, тогда получим следующее соотношение: W_υ =W_мρ _c.г=ρ _п

Следовательно, влагосодержание W_υ , отнесенное к 1 м³ совпадает с абсолютной влажностью. Пересчет влагосодержания W_υ на нормальные условия W_oυ с учетом приведенного выше выражения производят следующим образом:

где ; ρ _{c.г ,} p_г, Т и ρ _о.c.г, p_o, Т_о - соответственно плотность, давление и температура газа, а также плотность, давление и температура при нормальных условиях.

Эту же формулу используют для определения действительного влагосодержания газа по влагосодержанию, отнесенному к объему при 0 °С и 101, 3 кПа, который выбирают по графику (см. рис. 9.2) для задан­ных температуры и давления смеси насыщенного водяного пара и при­родного газа.

Действительно, содержание насыщенных во­дяных паров в природном газе больше величины, подсчитанной в таком предположении, что парогазовая смесь подчиняется законам идеальных газов.

При дросселировании газа его объем увеличивается (газ расширя­ется). На преодоление сил межмолекулярного притяжения необходимо затратить определенную энергию, которая пойдет на увеличение потен­циальной энергии взаимодействия молекул. Частично эта энергия ком­пенсируется за счет уменьшения кинетической энергии теплового движе­ния молекул газа, в результате чего температура газа снижается (поло­жительный эффект Джоуля — Томсона). Снижение температуры при дросселировании [напомним, что этот процесс протекает при постоян­ной энтальпии (i = const)] характеризуют дифференциальным темпера­турным эффектом дросселирования Д_i:

Для природного газа в области значений давлений и температур, ко­торые имеют место при его редуцировании на ГРС, среднее значение дифференциального дроссельного эффекта принимают равным: Д_i = 5, 5 град/МПа.

Таким образом, при дросселировании газа снижаются не только его давление, но и температура, соответственно изменяется и влагосодержание, насыщающее газ. Возможность выпадения конденсата при дроссе­лировании можно определить графически (см. рис. 2). Для этого оп­ределяют температуру газа для промежуточных значений давления при дросселировании от начального до конечного давления. Температуру от­считывают от температуры газа, поступающего на ГРС, считая, что при снижении давления газа на 1 МПа его температура снижается на 5, 5 °С. По полученным данным на графике зависимости влагосодержания на­сыщенного газа от температуры и давления (см. рис. 2) строят кри­вую изменения состояния газа. Эта кривая дает зависимость влагосодер­жания насыщенного газа от давления и температуры, изменяющихся в процессе дросселирования. Если влагосодержание насыщенного газа, поступившего на ГРС, соответствующее его температуре точки росы, ниже полученной кривой, то газ в процессе дросселирования будет прев­ращаться в ненасыщенный. Если же она будет выше минимума кривой, то из газа будет выпадать влага и образовываться кристаллогидраты. Для исключения гидратообразования газ необходимо подогреть на такую величину Δ t, чтобы кривая влагосодержания насыщенного газа при дросселировании лежала выше влагосодержания насыщенного газа, поступающего на ГРС. Значение Δ t определяют подбором, строя не­сколько кривых дросселирования для различных начальных температур.

Снижение давления газа в узле редуцирования приводит к значительному охлаждению его, особенно при высоких перепадах. Охлаждение газа является причиной образования гидратов и обмерзания регулирующих клапанов, запорной арматуры, контрольно-измерительных приборов и трубопроводов. Это значительно усложняет условия эксплуатации ГРС.

При проектировании и эксплуатации ГРС для выявления условий гидратообразования и обмерзания оборудования необходимо знать температуру газа после регулятора давления, которая определяется по формуле

, (1.5)

где , Р₁ W₁ - параметры газа до регулятора; , Р₂, W₂ -параметры газа после регулятора давления; Ср - изобарная теплоёмкость газа, кДж/(кг-К); Di - коэффициент Джоуля-Томсона, град/МПа.

При малых изменениях линейной скорости газа ее влияние, по сравнению с эффектом дросселирования, можно пренебречь и тогда.

, (1.6)

Температура газа, выходящего из ГРС, должна быть не ниже -10°С при подаче газа в подземные газопроводы и не ниже расчётной температуры наружного воздуха для районов строительства при подаче газа наземные газопроводы. За расчётную температуру наружного воздуха следует принимать температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0, 92 по СНиП 2.01.01-82.

Кристаллогидраты образуются при определённых значениях Р и Т в газе, насыщенном влагой. Зоной их образования является область, расположенная левее равновесных кривых. Для исключения гидратообразования при дросселировании газа на ГРС его подогревают в теплообменниках на такую величину , чтобы кривая влагосодержания насыщенного газа при дросселировании не опускалась ниже влагосодержания газа, поступающего на ГРС.

Алгоритм расчёта подогрева газа может быть следующий.

По известным начальным () и конечным (Р₂ )давлениям и ряду принятых температур газа (Т_{1, i}) рассчитываются значения соответствующих конечных температур (T_{2, i}). Задача решается методом подбора. Для построения кривых влагосодержания процесс дросселирования газа от до Р₂ разбивают на ряд промежуточных с некоторым принятым шагом ∆ Р, получают промежуточные значения давления . В соответствии с этим рассчитывают промежуточные значения температур газа () для каждого промежуточного значения ,. По ряду значений P_i, T_i строятся кривые влагосодержания для каждой из предварительно принятых начальных температур газа (). За расчётную температуру подогрева газа принимают ту из принятых начальных температур, которой соответствует кривая влагосодержания с минимальным значением абсолютной влажности насыщенного пара большим влажности поступающего на ГРС газа. То есть достаточно иметь даже небольшое превышение (W_MИН > W_H). Далее производится расчёт теплообменников для подогрева газа.

Необходимая поверхность подогрева теплообменника F, , определяется по формуле: (1.7)

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²-К); - средняя логарифмическая разность температур, К; Q - количество тепла, необходимого для подогрева газа

(1.8)

здесь Q₀ - расчетный расход газа через теплообменник, м³/с.

Выбирают тип теплообменника, определяют его коэффициент теплопередачи, обычно К = 175÷ 230 Вт/(м²·К); выбирают температуру греющей Т_в.г. и охлаждённой воды T_в.о. Затем рассчитывают большую и малую разности температур. При противотоке это определится следующим образом

, (1.9)

где Т' - температура подогретого газа, К; Т - температура подводимого газа, К.

Средняя логарифмическая разность температур определится

(1.10)