Расчет характеристик АВО газа

На (рис 2.1) приведен пример тепловой характеристики, прилагаемой обычно к АВО газа изготовителями.

Рис. 2.1- Пример паспортной тепловой характеристики АВО газа

Приведенная здесь тепловая характеристика АВО газа прилагается изготовителем к аппарату при поставке его заказчику. Она устанавливает соотношение между, расходом газа через АВО, температурой газа на входе в АВО, температурой атмосферного воздуха и температурой газа на выходе из АВО. Это соотношение справедливо только в некоторых условиях, например, при отсутствии осадков, загрязненности поверхностей теплообмена и др.

Тепловая характеристика не устанавливает связь между интенсивностью теплообмена в АВО газа и количеством включенных вентиляторов, секций, групп вентиляторов. Она не дает возможности сравнить эффективность затрат на охлаждение газа в АВО с точки зрения их влияния на стоимость транспорта газа с затратами в другом оборудовании газопроводов.

Использование описываемой здесь тепловой характеристики АВО газа не дает возможности точно рассчитать, сколько именно вентиляторов должно быть включено в каждой конкретной ситуации чтобы обеспечить минимальные затраты при заданной производительности газопровода.

Паспортная тепловая характеристика, приведенная на (рис 2.1) устанавливает лишь связь между температурами атмосферы, газа на входе и выходе АВО, расходом газа через АВО, тепловым потоком при всех включенных вентиляторах в конкретных условиях эксплуатации. К этим условиям относится средний компонентный состав природного газа: метан – 83-98,5%, этан + пропан до 7%, бутан до 1,5%, азот до 13%, двуокись углерода до 1,2%, сероводород до 0,1%, механические примеси метанола или диэтиленгликоля размером 0,5-100 мкм – до 20 мр/нм³.

Очевидно, что реальная тепловая характеристика будет зависеть от гораздо большего количества параметров. К ним можно отнести количество включенных вентиляторов, количество включенных секций, загрязненность поверхностей, химический состав газа, интенсивность осадков, углы наклона лопастей вентиляторов, неодинаковость характеристик вентиляторов и характеристик секций между собой, их отличие от паспортных и т.д.

Например, если принять, что при всех прочих равных условиях, количество включенных вентиляторов будет постепенно уменьшаться от максимального числа, равного 44 шт., до 0, то угол наклона характеристики АВО будет изменяться от паспортного значения до минимального. Этот минимальный наклон будет соответствовать естественному конвективному теплообмену. Влияние такого выключения вентиляторов на тепловую характеристику АВО при постоянном расходе газа показано на (рис 2.2).

Рис. 2.2

Практика эксплуатации АВО показала, что вентиляторы, установленные первыми по потоку газа, имеют более высокую эффективность, чем вторые. Это объясняется более высоким перепадом температур в соответствующих им частях секций АВО между газом и атмосферой.

Именно поэтому, при необходимости уменьшить тепловую мощность АВО, вторые вентиляторы выключают в первую очередь, а при необходимости ее увеличения – их включают в последнюю очередь, только после того, как все первые вентиляторы уже включены. Такой порядок выключения и включения принят и при построении тепловой характеристики, приведенной на (рис 2.2).Именно этим объясняется то, что расстояния между верхними линиями меньше, чем между нижними. Другими словами, если уменьшать количество включенных вентиляторов, то тепловая мощность АВО будет уменьшаться. Уменьшаться она будет также и при выключении секций, загрязнении поверхностей теплообмена, уменьшении углов наклона лопастей вентиляторов и износе вентиляторов.

При атмосферных осадках тепловая мощность и угол наклона линии тепловой характеристики будут возрастать при прочих равных условиях. И это увеличение будет зависеть от интенсивности осадков. Более того, имеется возможность применять для увеличения тепловой мощности АВО водяное орошение с регулируемой подачей воды. Изменение угла наклона линии тепловой характеристики АВО газа при использовании водяного орошения показано на (рис 2.3).

Рис. 2.3 - Изменение угла наклона линии тепловой характеристики АВО газа при использовании водяного орошения.

Приведенные здесь линии тепловой характеристики аппарата 2АВГ-100 производства АО ТМЗ показывают влияние изменения процесса теплообмена при осадках или искусственном орошении водой его поверхностей теплообмена. Они рассчитаны для трех различных уровней интенсивности осадков или орошения при максимальном количестве включенных вентиляторов и четырех различных расходах газа G₁=100000 кг/час, G₂=150000 кг/час, G₃=200000 кг/час, G₄=250000 кг/час. Линии синего цвета соответствуют паспортным условиям эксплуатации, представленным на (рис 2.1).

Конкретные числовые величины интенсивности орошения или осадков здесь не приводятся, т.к. здесь рассматривается лишь качественное влияние этого воздействия. Т.е. как очевидное принимается, что всегда можно подобрать такой расход воды при орошении, который обеспечит именно приведенные здесь углы наклона линии тепловой характеристики АВО газа при принятых расходах.

Очевидным здесь считается и то, что для каждого сочетания расхода газа через АВО с уровнем интенсивности орошения или осадков существует своя совокупность линий тепловой характеристики, аналогичная приведенной выше на (рис 2.2).

Пример такой совокупности линий при расходе G₁=100000 кг/час и максимальном принятом уровне интенсивности орошения приведен ниже на (рис 2.4).

Рис. 2.4

Влияние других факторов, к которым можно отнести загрязнение поверхностей, выключение из работы секций и групп вентиляторов можно представить аналогично, т.е. в виде изменения углов наклона линий тепловой характеристики. Причем, все они в практике могут действовать одновременно в комбинации. Результатом таких комбинаций возможно сложение воздействий, когда направление их воздействий одинаковое, или взаимная компенсация, когда направление их воздействий противоположное.

От действия каждого фактора зависит эффективность использования энергии, затрачиваемой в АВО газа. Поэтому очень важно уметь точно рассчитать положение линий в текущий момент времени и сделать прогноз на изменение их положения.

Но математическая модель результирующего воздействия нескольких факторов на углы наклона тепловой характеристики АВО газа потребует не только длительной научно-исследовательской работы, но и больших затрат на реализацию ее результатов.

Использованный метод адаптивного расчета результата воздействия сразу всех факторов является «know how» и поэтому здесь не описывается.

Изменение некоторых параметров может неоднозначно влиять на величину тепловой мощности и наклон линии тепловой характеристики АВО. К этим параметрам относятся химический состав газа и отклонение реальных характеристик вентиляторов и секций от паспортных значений. При их изменении в ту или иную сторону величина тепловой мощности и угол наклона линии тепловой характеристики могут как уменьшаться, так и увеличиваться.

Если добавить к этому, что упомянутые выше параметры действуют в сочетании друг с другом, то для моделирования процессов теплообмена в АВО потребуется проводить очень большую научно-исследовательскую работу. Результатом такой работы могут быть рекомендации по установке в АВО газа такого количества разнообразных приборов контроля, которые сделают сам процесс его регулирования неэффективным.

Но и при решении проблемы моделирования работы АВО используемые в настоящее время их тепловые характеристики не дают возможности соотнести затраты энергии в них с тепловой мощностью и сравнить эффективность этих затрат с затратами в ГПА.

Именно это обстоятельство не позволяет построить саму концепцию регулирования АВО и, соответственно, регулировать данный тип оборудования. В то же самое время имеющиеся расчеты показывают, что существует возможность использования АВО как одного из средств регулирования газопроводов с целью уменьшения суммарных затрат на транспорт газа.

Анализ функционирования АВО газа в составе оборудования газопровода показывает, что его влияние на процессы можно представить качественно похожим на влияние компрессорного цеха. Отличие будет только в количественном выражении.

Этот вывод основан на следующих фактах. Энергия, затрачиваемая в компрессорных цехах, в основном направлена на преодоление гидросопротивления линейной части газопровода. Энергия, затрачиваема в АВО газа, в основном направлена на уменьшение гидросопротивления линейной части газопровода. И они связаны между собой таким образом, что при увеличении количества энергии, затрачиваемой в АВО газа, гидросопротивление линейной части газопровода уменьшается. И, следовательно, затраты энергии в компрессорном цехе будут уменьшаться при прочих равных условиях. Следовательно, существует реальная теоретическая база для создания характеристик АВО газа аналогичных характеристикам компрессорного цеха. Единственным отличием таких характеристик от характеристик КЦ является невозможность их построения в отрыве от параметров линейной части газопровода, следующей непосредственно за конкретным АВО газа.

Построим такие характеристики. Для этого воспользуемся широко применяющимся в практике математическим аппаратом.

Некоторые точные математические зависимости из различных областей знаний, связывающие с суммарными затратами на транспорт газа все климатические, конструктивные, режимные, геофизические, энергетические, химические, физические, термодинамические, экономические и др. параметры, которые были использованы при выводе формул экстремально экономного распределения нагрузки на оборудование газопроводов:

формула для расчета динамической вязкости газа;

(2.1)

формула для расчета граничной производительности переходного режима для каждого i-го участка газопровода;

(2.2)

формула для расчета коэффициента теплопередачи от поверхности грунта в воздух на каждом i-м участке газопровода;

(2.3)

формула для расчета коэффициента теплопроводности грунта - песка - на каждом i-м участке газопровода;

(2.4)

формула для расчета коэффициента теплопроводности грунта - суглинка - на каждом i-м участке газопровода;

(2.5)

формула для расчета коэффициента теплопроводности смешанного грунта - песка, глины, суглинка, супеси, песчаника, известняка - на каждом i-м участке газопровода;

(2.6)

формула расчета приведенного расстояния от поверхности почвы до оси трубопровода в случае отсутствия снежного покрова на каждом i-м участке газопровода;

(2.7)

формула для расчета приведенного расстояния от поверхности почвы до оси трубопровода при наличии снежного покрова на каждом i-м участке газопровода;

(2.8)

формула для расчета коэффициента теплопередачи от газа к грунту на каждом i-м участке газопровода;

(2.9)

формула для расчета коэффициента, входящего в формулу, учитывающую эффект Джоуля-Томпсона, на каждом i-м участке газопровода;

(2.10)

формула для расчета давления в конце i-го участка газопровода, если задана величина l _i;

(2.11)

формула для расчета давления в начале i-го участка газопровода, если задана величина l _i;

(2.12)

формула для расчета давления в конце i-го участка газопровода, если задана величина Е_i;

(2.13)

формула для расчета давления в начале i-го участка газопровода, если задана величина Е_i;

(2.14)

формула для расчета расхода для негоризонтального i-го участка газопровода;

(2.15)

формула для расчета пропускной способности для многониточного участка газопровода;

(2.16)

формула для расчета эквивалентного диаметра для многониточного участка газопровода;

(2.17)

формула для расчета пропускной способности для участка газопровода с лупингом;

(2.18)

формула для расчета коэффициент Джоуля-Томпсона для i-го участка газопровода;

(2.19)

формула для расчета среднего давления для i-го участка газопровода;

(2.20)

формула для расчета температуры в конце i-го участка газопровода;

(2.21)

формула для расчета средней температуры для i-го участка газопровода;

(2.22)

формула для расчета удельного веса газа на входе нагнетателя i-го ГПА;

(2.23)

формула для расчета эффективной мощности нагнетателя i-го ГПА;

(2.24)

формула для расчета приведенной мощности нагнетателя i-го ГПА;

(2.25)

формула для расчета приведенной температуры перед турбиной i-го ГПА;

(2.26)

формула для расчета мощности ГТУ i-го ГПА при расчетных параметрах Т1i=Т10i, Та0i и Ра0i;

(2.27)

формула для расчета коэффициента технического состояния ГТУ i-го ГПА;

(2.28)

формула Л. С. Цегельникова для расчета коэффициента, учитывающего влияние технического состояния ГТУ на расход топлива i-го ГПА;

(2.29)

формула для расчета располагаемой мощности ГТУ i-го ГПА;

(2.30)

формула для расчета коэффициента загрузки ГТУ i-го ГПА;

(2.31)

формула для расчета расхода топливного газа ГТУ i-го ГПА;

(2.31)

формула для расчета эффективного коэффициента полезного действия ГТУ i-го ГПА;

(2.32)

формула для расчета скорости движения газа в конце i-го участка газопровода;

(2.33)

формула для расчета адиабатической работы сжатия газа в нагнетателе i-го ГПА.

(2.34)

В начале построим характеристики, соответствующие паспортным, показывающие связь между затратами энергии в АВО, расходом газа через него и гидросопротивлением участка газопровода за ним. Для построения примем, что параметры газа на входе в АВО, количество включенных секций в АВО, атмосферные и геофизические условия, а также параметры линейной части участка газопровода за АВО не изменяются. Изменять будем только количество включенных вентиляторов в АВО и расход газа через него. При этом примем также, что все вентиляторы и секции АВО имеют одинаковые характеристики.

Выключать вентиляторы будем по одному. Вначале будем выключать вторые вентиляторы, а как только все они будут выключены, начнем выключать первые вентиляторы до тех пор, пока все они не будут выключены и процесс охлаждения газа в АВО станет полностью конвективным.

Расчеты проведем для нескольких фиксированных расходов газа в интервале от 100000 кг/час до 150000 кг/час.

Общеизвестно, что величина давления в конце участка газопровода при прочих равных условиях зависит от средней температуры и среднего давления газа на рассчитываемом участке – см. выше. А величина средней температуры при прочих равных условиях является функцией температуры газа на входе в участок, т.е. в нашем случае – функцией температуры газа на выходе из АВО.

Для определения температур газа на выходе из АВО при различном количестве включенных вентиляторов и минимальном расходе газа воспользуемся тепловой характеристикой АВО, показанной на (рис 2.2). Аналогично определим температуры газа на выходе из АВО и при других расходах газа (для сокращения объема материала тепловые характеристики при других фиксированных расходах при изменении количества включенных вентиляторов здесь не показаны). На (рис 2.5) представлены полученные таким образом графики изменения температуры газа на выходе из АВО при нескольких постоянных расходах газа в зависимости от количества включенных вентиляторов. На (рис 2.6) представлены графики изменения температуры газа на выходе из АВО при нескольких постоянных количествах включенных вентиляторов в зависимости от расхода газа.

Рис. 2.5

Рис. 2.6

Общеизвестно, что при прочих равных условиях гидросопротивление участка газопровода уменьшается при уменьшении температуры газа на его входе. Выражается это в увеличении давления на его выходе. Мы рассчитываем это давление по широко применяемой в практике методике, с учетом коэффициента Джоуля-Томпсона, сжимаемости газа, климатических условий, параметров трубы и др.

Максимальное гидросопротивление в этих условиях будет при полностью выключенных вентиляторах, т.е. при конвективном теплообмене. В этом случае и давление на выходе из участка газопровода минимальным.

Таким образом, в качестве результата от включения вентиляторов в АВО происходит уменьшение гидросопротивления. И этот эффект тем больше, чем больше включено вентиляторов, т.е. чем больше тратится в них энергии. Это аналогично тому, что происходит в компрессорном цехе при изменении затрат энергии в нем путем увеличения мощности за счет включения очередного ГПА или увеличения мощности уже включенных ГПА при изменении режима работы.

Следовательно, режим конвективного охлаждения в АВО (когда все вентиляторы выключены) можно принять в качестве режима, соответствующего выключенному компрессорному цеху. А включение в работу каждого следующего вентилятора – приравнять к повышению мощности компрессорного цеха, например, путем включения дополнительного ГПА или изменения режимов работы уже включенных ГПА. Тогда отношение давления на выходе из участка газопровода после включения очередного вентилятора к давлению при конвективном охлаждении можно считать условной степенью повышения давления во всех включенных в данный момент вентиляторах. И это будет справедливо, т.к. это отношение прямо связано с затратами энергии во включенных вентиляторах. Более того, если вентиляторы не включать, то для преодоления повышенного гидросопротивления потребуется увеличивать степень повышения давления и мощность компрессорного цеха.

В дальнейшем для простоты мы называем отношение давления на выходе из участка газопровода после включения очередного вентилятора к давлению при конвективном охлаждении степенью повышения давления в АВО газа. При этом мы понимаем, что это величина абсолютно условная.

Произведенные расчеты по описанной выше методике дали возможность построить графики изменения степени повышения давления в АВО газа при различных фиксированных расходах газа в зависимости от количества включенных вентиляторов в них (см. рис 2.7) и графики изменения степени повышения давления при различных фиксированных количествах включенных вентиляторов в зависимости от расхода газа (см. рис 2.8).

Рис. 2.7

Рис. 2.8

Для окончательного завершения построения характеристик АВО газа по подобию характеристик ГПА (т.е. в тех же координатах) необходимо определить эффективный коэффициент полезного действия этого агрегата. С этой целью вначале определены по известной из термодинамики формуле величину адиабатической механической работы, которую необходимо затратить для преодоления гидросопротивления участка газопровода при конвективном теплообмене (при полностью выключенных вентиляторах) для каждой величины расхода газа. В качестве степени повышения давления для этого расчета принято отношение давления газа на входе в участок газопровода к давлению на его выходе при принятых условиях. Затем определена по той же формуле величина адиабатической механической работы, которую необходимо затратить для преодоления гидросопротивления участка газопровода при каждом конкретном количестве включенных вентиляторов в АВО газа для тех же величин расхода газа.

Полезная адиабатическая работа каждого конкретного количества включенных в АВО газа вентиляторов при каждом расходе газа определена как разница между найденной выше соответствующей адиабатической механической работой при конвективном теплообмене и адиабатической механической работой при каждом конкретном количестве включенных вентиляторов в АВО газа.

В качестве фактических затрат энергии на совершения этой полезной адиабатической работы принята суммарная работа, совершаемая всеми включенными вентиляторами (принято, что при включении каждый из них имеет мощность 37 кВт).

Эффективный КПД АВО газа определен как отношение полезной адиабатической работы для каждого конкретного количества включенных вентиляторов при каждом расходе газа к соответствующим фактическим затратам энергии на совершение этой полезной работы. Результаты расчетов представлены на (рис 2.9) как зависимость эффективного КПД АВО газа от количества включенных вентиляторов при различных фиксированных расходах газа и на (рис 2.10) как зависимость эффективного КПД АВО газа от расхода газа при различных фиксированных количествах включенных вентиляторов.

Рис. 2.9

Рис. 2.10