Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Краткий обзор ранее проведённых исследований 17
1.1 Аппараты воздушного охлаждения на компрессорных станциях магистральных газопроводов 17
1.2 Экспериментальные исследования внешней теплоотдачи и теплопередачи промышленных АВО 21
1.3 Методики теплового расчёта АВО. 26
1.4 Внешняя теплоотдача и аэродинамическое сопротивление оребрённых трубных пучков разной конфигурации и влияние интенсификаторов теплообмена на эти параметры 29
Выводы по главе 32
ГЛАВА 2. Промышленные эксперименты на аппаратах воздушного охлаждения газа . 33
2.1 Методика эксперимента 34
2.2 Внешняя теплоотдача промышленных аппаратов воздушного охлаждения при работе с включенными вентиляторами 38
2.3 Коэффициенты теплопередачи в промышленных АВО при работе с включенными вентиляторами 49
2.4 Режим работы аппаратов воздушного охлаждения газа с отключенными вентиляторами 57
2.5 Влияние направления ветра на теплообмен в АВО з
2.6 Расход воздуха через АВО при свободноконвективном охлаждении с учётом влияния направления и скорости
ветра 68
Выводы по главе. 71
ГЛАВА 3. Совершенствование методики теплового расчёта АВО 73
3.1 Тепловой расчёт аппаратов воздушного охлаждения газа с использованием параметра эффективности 73
3.2 Сопоставление моделей перекрёстного тока для промышленных аппаратов воздушного охлаждения 76
3.3 Сопоставление расчётов по предложенной методике с экспериментами 79
3.4 Получение критериальных зависимостей для внешней теплоотдачи промышленных АВО газа 84
3.5 Расчёт режима работы АВО по предложенной методике 95
3.6.К расчёту свободноконвективного охлаждения природного газа 102
Выводы по главе 104
ГЛАВА 4. Рекомендации по энергосбережению при эксплуатации АВО 105
4.1 Особенности энергосбережения при эксплуатации АВО наКСМГ 105
4.2 Практическая методика определения эффективности работы АВО по тепловому потоку 122
4.3 Зависимости теплосъёма от располагаемого температурного напора 126
Выводы по главе 142
Основные выводы и рекоментации 144
Библиографический список использованной
Литературы
- Экспериментальные исследования внешней теплоотдачи и теплопередачи промышленных АВО
- Внешняя теплоотдача промышленных аппаратов воздушного охлаждения при работе с включенными вентиляторами
- Сопоставление расчётов по предложенной методике с экспериментами
- Зависимости теплосъёма от располагаемого температурного напора
Экспериментальные исследования внешней теплоотдачи и теплопередачи промышленных АВО
Развитие многих отраслей промышленности требует сокращения потребления воды, расходуемой для отвода избыточного тепла технологических процессов. В большой степени эта задача решается при внедрении в производство теплообменных аппаратов, которые для охлаждения теплоносителя используют воздух. Отечественные и импортные аппараты воздушного охлаждения используются в самых разнообразных технологических процессах и сокращают потребление охлаждающей воды в несколько раз.
Бурный рост добычи газа в стране в 60-80 гг. XX в. и удалённость газовых месторождений от крупных потребителей газа обусловили сооружение мощных высокопроизводительных магистральных газопроводов значительной протяжённости диаметром 1420 мм с рабочим давлением до 7,5 МПа. Это в свою очередь вызвало необходимость охлаждения транспортируемого газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов для стабилизации их тепловых режимов и увеличения пропускной способности. В таких газопроводах в результате существенного ухудшения теплообмена с окружающей средой увеличивается температура транспортируемого газа, что не позволяет полностью использовать пропускную способность труб, возрастают энергетические затраты на компрессорных станциях, ухудшается устойчивость трубопроводов и нарушается естественное состояние природной среды. При диаметре газопроводов больше 1 м нагрев газа при сжатии на КС превышает отвод теплоты от газопровода к грунту и охлаждение газа становится не просто экономически выгодным, а необходимым [89-91]. Основным направлением повышения эффективности и надёжности транспорта газа по газопроводам большого диаметра является охлаждение транспортируемого газа до оптимальных уровней.
Проблемой охлаждения газа занимались научно-исследовательские и проектные организации: ВНИИГАЗ, ВНИИТРАНСГАЗ, ЮЖНИИГИПРОГАЗ, МИНХиГП (ныне РГУНиГ), ГИПРОСПЕЦГАЗ, СОЮЗГАЗПРОЕКТ, ВНИИНЕФТЕМАШ и др.
Теоретическим исследованиям и основам проектирования этих мощных газопроводов с центробежными нагнетателями и охлаждением газа после них на КС МГ посвящены работы Р.Н. Бикчентая, B.C. Бокова, З.Т. Галиуллина, М.А. Жидковой, СВ. Карпова, В.И. Кочергина, Б.Л. Кривошеина, Г.Э. Одишария, Б.П. Поршакова, О.А. Степанова, И.Е. Ходановича, А.В. Чиркина, ММ. Шпотаковского, Б.М. Юнкера и других авторов [3-5, 9, 35, 69, 86, 88-91, 97, 98].
В результате этих исследований и разработок для охлаждения газа на КС МГ стали широко использовать АВО. Для этого в настоящее время на газопроводах страны установлено свыше 6000 АВО разных типов [34].
На компрессорных станциях МГ России используются как отечественные, так и импортные аппараты воздушного охлаждения (количество отечественных и импортных АВО примерно одинаковое). Отечественные аппараты разработаны во ВНИИНефтемаше и выпускаются на различных машиностроительных заводах нашей страны. В газовой промышленности используются отечественные аппараты 2АВГ-75, АВЗ-5300, АВГ1-75 и другие. Среди отечественных АВО коэффициент оребрения максимальный у аппаратов 2АВГ-75, и вследствие этого, на КС они наиболее широко распространены. Из импортных аппаратов для охлаждения газа на КС МГ используются АВО фирм: «Крезо-Луар», «Хадсон-Итальяно» (в дальнейшем сокращённо «Хадсон»), «Нуово-Пиньоне» и некоторых других производителей.
Аппараты воздушного охлаждения независимо от назначения и исполнения включают следующие узлы [6, 43]: теплообменные трубчатые секции, вентиляторы с приводами, аэродинамические элементы, несущие конструкции и узлы регулирования. Поскольку в АВО со стороны охлаждающего воздуха коэффициент теплоотдачи очень низок, в аппаратах используются поперечнооребрённые теплообменные трубы. Степень оребрения труб характеризуется коэффициентом оребрения (рор, то есть отношением полной наружной поверхности трубы к наружной поверхности гладкой трубы с диаметром по основанию рёбер. Известны различные конструкции поперечнооребрённых теплообменных труб, применяемых в АВО. Наиболее широко применяются трубы с накатными и навитыми рёбрами. В качестве материала рёбер используются, как правило, сплавы алюминия. Трубки, на которые наносят оребрение, изготавливаются в основном из различных сталей, чтобы придать им достаточную прочность и предотвратить провисание [43].
Хотя аппараты воздушного охлаждения на компрессорных станциях газопроводов эксплуатируются более 25 лет, но особенности их работы в промышленных условиях МГ исследованы недостаточно.
На большинстве месторождений природного газа севера Западной Сибири газ содержит паровую и капельную влагу, которая, взаимодействуя с газом, при определённых термодинамических условиях образует твёрдые кристаллические вещества - гидраты углеводородных газов, отлагающиеся в трубках АВО и приводящие к увеличению термического сопротивления и сужению проходного сечения. В работах К.М. Давлетова [12, 65] показано, что критерием, обеспечивающим необразование кристаллогидратов, является температура внутренней поверхности трубок, по которым течёт газ, выше 10 С при давлении после компрессорной станции.
Внешняя теплоотдача промышленных аппаратов воздушного охлаждения при работе с включенными вентиляторами
Как видно из формул (2.9-2.12), для получения конвективного коэффициента теплоотдачи необходимо знать его значение. Поэтому расчёт производили методом последовательных приближений. В первом приближении вместо ак подставляли апр, далее - полученный из предыдущего приближения. Вычисления завершали при получении расхождения между конвективными
БИБЛИОТЕКА коэффициентами теплоотдачи в двух последовательных итерациях менее 0,001%. Для представления результатов в безразмерных координатах по полученному значению ак вычисляли число Нуссельта, характеризующего в рассматриваемом случае внешнюю теплоотдачу: а а?н tf««=-J7-!L (2.13) Лх где А« - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре в пучке, Вт/(м-К) [64]. Полученные значения NuK наносились на график NuK-Rex, где число Рейнольдса для потока воздуха определяли как: Re,= У , (2.14) дг где г)х.узк - скорость воздуха в узком сечении трубного пучка, м/с: "х. -ф, (2.15) дх где Sx - площадь узкого сечения для воздуха, м2. Объёмный расход воздуха при средней температуре в трубном пучке Gx определяли из уравнения теплового баланса (приведено выше). Как показал опыт работы, этот метод даёт меньшую погрешность, чем определение расхода по скорости воздуха, измеренной термоанемометром, так как поток воздуха после АВО сильно турбулизирован, а перед аппаратом скорость воздуха слишком мала, в результате чего ветер вносит существенную погрешность в измерения.
В технической литературе практически нет сведений о внешней теплоотдаче современных промышленных АВО, используемых в газовой промышленности. Методики [16, 38, 43, 64, 65, 86], используемые в настоящее время для расчёта теплоотдачи, дают различные результаты и не учитывают реальных промышленных условий работы аппаратов.
Кроме данных, полученных на КС ОАО «Газпром» на территории РБ, здесь приведены сведения о внешней теплоотдаче, полученные путём обработки экспериментов, проведённых под руководством К.М. Давлетова на аппаратах фирмы «Крезо-Луар», охлаждающих сырой газ уренгойских газовых месторождений [12, 65]. Для сравнения расчётных и экспериментальных данных на рисунках также представлены зависимости для АВО, полученные на основании расчётов по методикам ВНИИГАЗа [64], В.Б. Кунтыша [43], ВНИИнефтемаша [65] и А.А. Жукаускаса [16].
Известно, что интенсификаторы теплообмена на концах рёбер, которые есть у аппаратов «Крезо-Луар», увеличивают значение коэффициента внешней теплоотдачи. Обычно, это учитывается введением в расчётную формулу для трубных пучков специального коэффициента. К.М. Давлетовым [12] указано, что для АВО «Крезо-Луар» больше всего подходит значение коэффициента интенсификации теплоотдачи 1,333. Данный коэффициент введён в методику ВНИИГАЗа, ВНИИнефтемаша и А.А. Жукаускаса для расчёта аппаратов «Крезо-Луар», так как перечисленные методики не учитывают интенсификацию. Основные расчётные формулы этих методик представлены в таблице 1.1.
Для аппаратов без интенсификаторов теплообмена методики [16] и [65] -показывают наибольшие расчётные значения внешней теплоотдачи, значение числа Нуссельта по [16] немного ниже. Величины теплоотдачи по методикам [16] и [65] близки. Расчёт по [43] - даёт минимальный результат, а расчёт по ВНИИГАЗу [64] показывает среднюю величину теплоотдачи.
На рисунке 2.3 представлены экспериментальные данные по внешней теплоотдаче при вынужденной конвекции на аппаратах «Хадсон», установленных на КС-6. Замеры проведены после промывки внутренней поверхности. До проведения замеров все АВО станции не очищались от загрязнений более 5 лет. Экспериментальные значения числа Нуссельта, характеризующего конвективный коэффициент теплоотдачи АВО «Хадсон» КС-6, лежат ниже всех расчётных зависимостей. В этом цехе, в отличие от других, не проводилась внешняя промывка. Экспериментальные данные по этому цеху лежат в узком интервале изменения числа Рейнольдса и делать какие-либо выводы по ним можно только сравнив их с замерами на аппаратах той же марки в другом цехе.
На аппаратах воздушного охлаждения «Хадсон» и «Крезо-Луар» КС-19 и КС-19а была проведена промывка внешней оребрённой поверхности, а через 3 месяца внутренняя промывка. В результате все теплообменные поверхности АВО были промыты. На рисунках 2.4 и 2.5 представлены экспериментальные данные по внешней теплоотдаче этих аппаратов до и после внешней промывки, а на рисунках 2.6 и 2.7 - до и после внутренней промывки.
Анализ рисунков 2.4 и 2.5 показывает следующее.
Экспериментальные значения NuK АВО «Хадсон» КС-19 до промывки дают результаты близкие к результатам расчёта по зависимостям [43] и [64]. В результате промывки аппараты «Хадсон» (рисунок 2.4) хорошо отмылись от пыли, загромождение межтрубного пространства растительным пухом также уменьшилось. Это хорошо видно из полученных данных - несмотря на изменение числа Нуссельта в результате промывки, характер его зависимости от Рейнольдса практически не изменился. После промывки увеличилось количество воздуха, протекающего через трубный пучок АВО «Хадсон» (это видно по увеличению Re, который до промывки лежит в пределах 2200...5600, после 3800...5600) и, вследствие этого, увеличилась и внешняя теплоотдача, которая зависит от числа Рейнольдса. Таким образом, уменьшение загромождения межтрубного пространства приводит к улучшению условий обтекания, и, как следствие, к росту теплоотдачи. Внешнее загрязнение теплообменных трубок (пыль) оказывает незначительное влияние на теплоотдачу АВО.
Сопоставление расчётов по предложенной методике с экспериментами
Как показано в главе 2, известные методики расчёта теплообмена в большей или меньшей степени отклоняются от результатов экспериментов на промышленных АВО, требуют сложных вычислений при определении конечной температуры охлаждения газа и не дают непосредственную характеристику тепловой эффективности аппаратов до окончания всех вычислений. Поэтому предлагается для расчёта АВО использовать методику эффективности [36].
Из формулы (2.19) изменение температуры газа (глубина охлаждения) Atr и температура газа на выходе из АВО for W . Д г= г1- г2=( г1- і)- Г- , (3.1) г2= г1-( г1- і)- Г . (3.2) При прочих известных величинах для расчёта этих величин нужно W знать эффективность є. Она зависит от отношения —ss-} схемы движения max потоков теплоносителей и числа единиц переноса теплоты (NTU): NTuJ (3.3) min где Wmax - больший из водяных эквивалентов потоков, Вт/К. То есть эффективность зависит и от коэффициента теплопередачи. Соотношение между этими параметрами при Wmjn/Wmax=0,98 представлено на рисунке 3.1.
Эффективность можно определить по характеристикам перекрёстноточного теплообменника [36], приведённым на рисунках 3.2 и 3.3. Как видно из графиков є зависит от того, перемешиваются или нет потоки теплоносителей. к,Вт/(лі К) Рисунок 3.1 - Зависимость тепловой эффективности от коэффициента теплопередачи Для случая неперемешивающихся потоков на основании приближенного решения предложена расчётная формула [85,108]: где Г =1 -exp( -NTU ), где WCM и WHecM - водяной эквивалент смешивающегося и несмешивающегося в теплообменнике потока, Вт/К. Рисунок 3.2 - Характеристика перекрёстноточного теплообменника (один поток перемешивается) Характеристика перекрёстноточного теплообменника (оба потока не перемешиваются) 3.2 Сопоставление моделей перекрёстного тока для промышленных аппаратов воздушного охлаждения
Схема движения теплоносителей в промышленных АВО, охлаждающих газ, - перекрёстный ток - омывание, как правило, шахматного пучка труб поперечным потоком воздуха. Поправка на непротивоточность (пункт 2.3.1) к среднелогарифмическому температурному напору (єДІ), также как и эффективность, определяется в зависимости от того, перемешиваются ли потоки в теплообменнике.
Методики расчёта теплообмена в АВО обычно предполагают, что поток воздуха при прохождении через межтрубное пространство перемешивается [90], и соответствующим образом вычисляют поправку на непротивоточность. В.Б. Кунтыш [43] считает, что наилучшим образом теплообмен описывается моделью, которая предполагает неперемешивание потока воздуха.
Так как этот факт оказывает значительное влияние на результаты обработки опытных данных, его исследовали в первую очередь. ВНИИГАЗ предлагает вычислять єді по формуле: єді= 0,959 - 0,3359-R-P - 0,0259-P-R2 + 0,6235-R-P2+ 3,0054-(R-P)2 - 0,4337-P2-R3 - 9,651-R2-P3 + 0,5624 (R-P)3 + (3.9) 7,0743-R2-P4 -0,868-R-P5 - 2J969RP6, где R и P - безразмерные отношения, вычисляемые по формулам: itx2 txl) (telxl) VAV) Но методика ВНИИГАЗа нигде не указывает, по какой модели подобрана формула, поэтому произвели сравнение поправки на непротивоточность по ВНИИГАЗу и по вышеописанным моделям. Для сопоставления использовали опыты на АВО КС-5, 6, 18, 18а, 19 и 19а. При сравнении введены следующие обозначения: модель ВНИИГАЗа - поправка на непротивоточность по ВНИИГАЗу; первая модель - поток воздуха перемешивается в АВО; вторая модель - потоки не перемешиваются при прохождении через АВО. Поправка на непротивоточность по всем трём моделям определена на основании значений параметров Р и R, вычисленных по экспериментальным данным: для модели ВНИИГАЗа по формуле (3.6), для первой и второй модели по графикам [37]. Наиболее показательные случаи представлены на рисунках 3.4-3.6. Для аппаратов «Хадсон» КС-19 данные приведены в таблице 3.1.
Сравнение поправки єд, по ВНИИГАЗу, по графикам для несмешивающихся потоков и одного перемешивающегося для ABO 2АВГ-75 КС-18а до промывки При рассмотрении рисунков видно, что только на рисунке 3.4 расчёт по второй модели при расходе воздуха более 170 нм /с ближе к модели ВНИИГАЗа, чем расчёт по первой модели. В других цехах, где расход воздуха не был большим, расчёт по модели ВЕИИГАЗа и первой модели практически совпадают (рисунок 3.5, 3.6 и все неприведённые здесь случаи). Из этого следует, что формула ВНИИГАЗа при расходе воздуха до 170 м /с предполагает, что поток воздуха в АВО перемешивается. Но нормативный расход воздуха через этот АВО 166 м3/с и ниже, на других аппаратах такой же, кроме 2АВГ-75, у которого он равен 220 м3/с. Следовательно, при нормативном расходе воздуха через АВО модель ВНИИГАЗа практически совпадает с первой моделью.
Таким образом, расчёты изменения температуры газа в АВО могут быть произведены по первой и второй модели. Для обоснования выбора модели далее проведено сопоставление температур газа на выходе из аппаратов воздушного охлаждения, вычисленных по методу эффективности для каждой модели с экспериментальной.
Зависимости теплосъёма от располагаемого температурного напора
Вышеуказанные характеристики для режима свободной и вынужденной конвекции были получены для аппаратов воздушного охлаждения всех цехов КС МГ на территории Республики Башкортостан.
Величина теплосъёма с оребрённых поверхностей аппаратов воздушного охлаждения во многом зависит от своевременного проведения мероприятий по поддержанию их в чистом состоянии. Это обеспечивается периодическими промывками внутренней и наружной поверхностей трубного пучка. На обследованных компрессорных станциях иногда бывали случаи, что промывка не проводилась с момента установки аппаратов (1979-80 гг.). Там, где промывки проводились недавно, часто бывало, что до этого АВО не мылись много лет. Сведения о числе, марке аппаратов воздушного охлаждения, времени и способе последней промывки по каждому цеху компрессорных станций приводятся в Приложении 2.
На рисунках 4.16 и 4.17 представлены сведения по режимам охлаждения газа с включенными и отключенными вентиляторами для АВО «Хадсон» КС-6. Из рисунков видно, что теплосъём в ходе замеров составлял примерно 2/3 от паспортного при обоих режимах. Ветер во время замеров дул от подножия холма, на склоне которого расположены аппараты, к его вершине.
Наиболее показательны с точки зрения выявления эффективности промывок рисунки 4.18-4.27. В цехах, теплосъём аппаратов которых приведён на вышеуказанных рисунках, были собраны сведения по работе АВО как до, так и после различных видов промывок. Чтобы не смешивались данные для разных режимов на рисунках паспортный и фактический теплосъём представлены одинаковыми линиями, но паспортный теплосъём всегда больше фактического и его линия лежит выше. Из Приложения 2 видно, что за 2000-2001 гг. на КС-19 и КС-19а (рисунки 4.18-4.21) были проведены и наружная, и внутренняя промывка. Как показано на рисунках, влияние промывок на теплосъём по станциям сильно отличается.
На АВО «Хадсон» КС-19 промывки увеличивают теплосъём при вынужденной конвекции (рисунок 4.18), при свободной (рисунок 4.19) -наружная промывка значительно улучшает работу аппарата, а после внутренней теплосъём незначительно снижается. Снижение теплосъёма объясняется тем, что со времени внешней промывки прошло несколько месяцев и аэродинамическое сопротивление трубного пучка выросло.
На АВО «Крезо-Луар» в третьем цехе наружная промывка практически не изменяет теплосъём, как при вынужденной, так и при свободной конвекции (рисунки 4.20, 4.21), внутренняя промывка улучшает работу аппарата - на 14% при включенных вентиляторах и более чем в 2 раза при отключенных.
Результаты промывки при свободной и вынужденной конвекции не согласуются друг с другом, хотя параметры работы вентиляторов в ходе опытов не изменились. Это обстоятельство вызвано сменой направления ветра, который, как уже доказано в главе 2, при установке аппаратов воздушного охлаждения на склоне влияет на теплосъём при отключенных вентиляторах. Поэтому для аппаратов, установленных на склоне зависимости теплосъёма, приведённые в паспортах, не соответствуют фактическому переносу теплоты, который в каждом случае различный в зависимости от направления и скорости ветра. Вследствие этого, об эффекте промывок для АВО, установленных на склоне, не следует судить по режиму работы с отключенными вентиляторами. эксперименты до промывок; эксперименты после внешней промывки; эксперименты после промывок; паспортный и фактический теплосъём до промывок; паспортный и фактический теплосъём после внешней промывки; паспортный и фактический теплосъём после промывок Рисунок 4.18 - Теплосъём при вынужденной конвекциа АВО "Хадсон" КС-19 (до промывок Gr=216 т/ч, после внешней промывки Gr=198 т/ч, после внутренней промывки Gr=199 т/ч) 30 400 350 300 А 250 О 200 150 100 18 20 22 24 tr1y1, С эксперименты до промывок; эксперименты после внешней промывки; эксперименты после промывок; - паспортный теплосъём; фактический теплосъём до промывок; фактический теплосъём после внешней промывки; фактический теплосъём после промывок Рисунок 4.19 - Теплосъём при свободной конвекции АВО "Хадсон" КС-19 (до промывок Gr=216 т/ч, после внешней промывки Gr=189 т/ч, после внутренней промывки Gr=190 т/ч)
