CC BY
16
УДК 621.64
К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ КАЧЕСТВА ГАЗА ПО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЮ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРАНСПОРТА ГАЗА
Б.Л. ЖИТОМИРСКИЙ, к.т.н., проф., генеральный директор В.Г. ДУБИНСКИЙ, к.т.н., главный специалист
АО «Газпром оргэнергогаз» (Россия, 115304, Москва, ул. Луганская, д. 11). E-mail: zhyitomirsky@oeg.gazprom.ru
А.С. ЛОПАТИН, д.т.н., проф., завкафедрой термодинамики и тепловых двигателей Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина (Россия,119991, Москва, Ленинский пр., д. 65, корп. 1). E-mail: lopatin@gubkin.ru
Рассматриваются вопросы разработки методологии оценки влияния качества газа на энерготехнологическую эффективность газотранспортной системы. Представлена физическая модель тепло- и массопереноса влажного газа в газопроводе, обоснованы составляющие теплового баланса системы в зависимости от концентрации влаги в транспортируемом газе. Дана количественная оценка потерь энергии и дополнительных затрат мощности компрессорных станций для их компенсации при транспортировке неосушенного газа с отклонениями от проектной температуры точки росы.
Ключевые слова: газопровод, компрессорная станция, качество газа, влагосодержание, энерготехнологическая эффективность, тепло- и массоперенос, температура точки росы.
Технические решения, применяемые при реконструкции действующих магистральных газопроводов (МГ), направлены на обеспечение технически возможной производительности МГ и должны учитывать возможность применения на магистральных газопроводах энергосберегающих технологий, позволяющих сократить энергозатраты на транспортировку природного газа.
В условиях увеличения объемов добычи и транспортировки природного газа при нарастающих темпах старения эксплуатируемого оборудования линейной части и компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов в проектах нового строительства и при реконструкции эксплуатируемых МГ необходимо совершенствовать способы оценки энерготехнологической эффективности магистральных газопроводов на основе разработанных моделей транспорта газа [1].
Следует отметить, что существующие модели не отражают с достаточной точностью состояние реальных газопроводов. Так, например, не учитываются затраты энергии при одновременном тепло- и массопереносе газа, содержащего пары воды. Такие режимы характерны для головных участков МГ, участков, эксплуатируемых после гидравлических испытаний, а также для любых других отклонений от нормативов по качеству газа - температуре точки росы (ТТР). Результаты исследований показали, что в процессе охлаждения газа от 20 °С на выходе КС до температуры грунта 5 °С (при ТТР, превышающей температуру грунта на 2-5 °С) разность теплосодержаний газа на линейном участке газопровода между КС составляет в среднем 24 кДж/кг, что в периоды работы в таких режимах приводит к дополнительному потреблению энергии на КС [2].
Рассмотрим модель системы транспорта газа «КС -линейная часть магистрального газопровода (ЛЧ МГ) - КС». В модели, представленной на рис. 1, термодинамическое состояние системы при насыщении газа влагой изменяется и характеризуется следующими параметрами: температурой питания в начале участка 1Г и соответствующей концентрацией влаги в газе ХАг. Природный газ при насыщении в полости ЛЧ МГ влагой имеет концентрацию ХА3, а температура в ЛЧ МГ изменяется от 20-40 °С на выходе КС в начале участка ЛЧ МГ до температуры, равной температуре грунта в конце участка. При этом состояние природного газа соответствует равновесию между фазами.
Тепловой баланс рассматриваемой системы «КС - ЛЧ МГ - КС» представим в виде [2]:
^з - иг = вАо1 + во(1г - Г3), (1)
где: - массовый расход сухого газа, кг/ч; (в + вА) - массовый расход насыщенного влагой газа, кг/час;
I
Рис. 1. Модель термодинамического состояния газопровода при насыщении газа влагой
Jr G,
t r XAr t
G+ G A
G, t3
XA3 J3 t3
G
вода
c - теплоемкость сухого газа, кДж/кгК; Jr - теплосодержание газа на выходе КС в начале участка газопровода, кДж/кг; J3 - теплосодержание газа в конце участка газопровода, кДж/кг; Xдr - концентрация влаги в газе в начале участка газопровода, кг/кг; Xд3 - концентрация влаги в газе в конце участка газопровода, кг/кг; tr - температура газа в начале участка газопровода, °С; ?3 - температура газа в конце участка газопровода, °С.
После преобразования (1) получим выражение теплового баланса системы в зависимости от концентрации влаги в транспортируемом газе:
G G
С (( " tr ) + ХА3 JA3 - XArJA = ^^ + ( " t3 ^ (2)
где JA - теплосодержание паровой фазы (среднее на участке газопровода) кДж/кг.
Исключив теплосодержание паровой фазы JA (заменив его через Jд3), а также с учетом зависимостей с^ = св - ХАг сА и GA = G| (ХД3 - ХДг), уравнение (2) приводится к следующему виду:
ХА3 ХАг
и -
J
А3
С
(3)
-ХАг = СВ
(4)
'АБ
| Рис. 2. График процесса адиабатического насыщения ХА
ХАг)
где св - удельная теплоемкость влажного газа, кДж/кг-К.
Термодинамическое состояние среды в полости газопровода (?3, ХА3) соответствует межфазовому равновесию, к которому стремится процесс насыщения. Таким образом, имеет место пограничное состояние (?Б, ХАБ), при котором t3 = tБ и ХА3 = ХАБ, а изменение содержания паровой фазы ХАг в зависимости от изменения температуры ^ по ходу процесса можно оценить соотношением (4), полученным путем дифференцирования уравнения (3):
На рис. 2 прямой линией Б'ХАг показан ход процесса адиабатического насыщения в координатах температура t -концентрация паровой фазы ХА. Скорость процесса характеризуется наклоном кривой
с
^Ф = п-^-, где: п - масштаб.
ГАБ
С учетом того, что теплоемкость св хотя и незначительно, но увеличивается по мере насыщения (пунктирная линия Б"ХАг на рис. 2), тепловой баланс можно описать уравнением:
JrБ - Jг = GAС|tБ. (5)
Точка Б' на графике лежит ниже точки Б на линии насыщения и JгБ = Jr.
Разность теплосодержаний газа при охлаждении в газопроводе от 40°С до 5°С:
AJ = 23 • 0,6 = 13,8кДж/кг,
где 23кДж/кг - разность теплосодержаний воздуха [2], 0,6 - относительный удельный вес природного газа по воздуху.
Изменение количества теплоты в объеме газопровода д, кДж/м2-ч:
д = -О = р [О(( -) + AJ] = р[1,96• 35 + 23] = 91,6• р (6)
где р - коэффициент массообмена, кг/м2 Па; О - коэффициент диффузии (массопроводность), см2/с.
При заданной поверхности тепло- и массообмена количество теплоты определяется по известной формуле О = AJr = лаГА?ср, где: Atср - средняя разность температур, л - функция, учитывающая характер адиабатического насыщения.
И если величина ал изменяется относительно мало (при росте а снижается л), то расчет А?ср представляет собой
определенную трудность, так как А? = ?32 ,!31 , где: tr -
Г2
температура газа; ?3 - температура жидкости (воды и конденсата) в газопроводе.
Как следует из данной формулы, для расчета величины А?ср необходимо знать распределение температур по всей длине участка газопровода. На практике измерение температуры газа и грунта на глубине у стенки газопровода осуществляют только в начале участка, а расстояние, на котором температура газа выравнивается с температурой грунта, определяют расчетным путем.
Если поток пара полностью конденсируется, то парциальное давление в газе можно определить по формуле
Рс =
1
к +1
(Рг + КРк
(7)
где: рг - парциальное давление испарения у поверхности воды,Па; рк - парциальное давление конденсации, Па;
РР
к = - отношение коэффициентов массообмена при
РРк
испарении и конденсации.
Из формулы (7) следует, что интенсивность испарения прямо пропорциональна разности давлений насыщенного пара при температурах испарения и конденсации, то есть Ар = Атса является движущей силой массообмена.
Таким образом, коэффициент массообмена рр зависит от общего давления в газопроводе: с увеличением давления коэффициент массообмена рр уменьшается.
Изменение температуры, а следовательно, и теплосодержания газа при тепло- и массообмене в газопроводе
г
с
в
5 • 2017
35
Рис. 3. Зависимость теплосодержания газа от концентрации влаги
ХАЗ
кг/кг
0,00123
0,0038
13
24
J кДж/кг
можно представить в виде диаграммы в системе координат ХА3 - J (концентрация влаги в газе - теплосодержание газа) (рис. 3).
На графике выделены следующие значения концентрации влаги в газе и теплосодержания для температур газа: 20 °С в начале участка (на выходе КС) - 24 кДж/ кг и 0,0123 кг/кг; 5 °С в конце участка - 13 кДж/кг и 0,0038 кг/кг. Выполнена оценка влияния качества газа по влагосодер-жанию на энергетические характеристики магистрального транспорта газа. Например, для системы КС - ЛЧ МГ -КС с параметрами: диаметр газопровода 1400 мм; расход газа 70 млн м3/сут.; давление и температура газа в начале участка (на выходе КС) 7,3 МПа; 20 °С и 40 °С - в конце участка 5 °С, ТТР = 8 °С. В условиях данного примера удельные потери тепловой энергии в результате тепло-, массо-обмена в ЛЧ МГ при температуре газа в начале участка
20 °С и 40 °С составят 1,5 Вт-ч и 3 Вт-ч на 1 м3 транспортируемого газа.
Для компенсации потерь энергии при транспортировке неосушенного газа с температурой точки росы, превышающей температуру грунта, дополнительные затраты энергии на КС МГ составят 4520 кВт-ч, а при максимальной температуре на выходе КС, ограниченной предельной температурой изоляции трубы, равной 40 °С - 9360 кВт-ч.
Выводы
1. В энергетическом балансе транспорта газа в системе КС - ЛЧ МГ - КС удельные затраты энергии при тепло-массопереносе неосушенного газа составляют в среднем 24 кДж/кг, что в периоды работы в таких режимах приводит к дополнительному потреблению до 10% тепловой энергии на КС.
2. Интенсивность испарения влаги из неосушенного газа прямо пропорциональна разности давлений при температурах испарения и конденсации (формула 7). Разность давлений является движущей силой массообмена.
3. Коэффициент массообмена зависит от давления в газопроводе: с увеличением давления коэффициент мас-сообмена Рр уменьшается.
4. При выравнивании температуры газа с температурой грунта в газопроводе теплосодержание газа практически не увеличивается. В предельном случае, когда температура у поверхности воды в газопроводе не равна температуре фазового равновесия, достижение требуемой ТТР потоком газа становится проблематичным и возможно только после удаления воды из полости газопровода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поршаков Б.П., Лопатин А.С., Калинин А.Ф. и др. Энергосберегающие технологии при магистральном транспорте природного газа. М.: Изд. центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2014. 417 с.
2. Дубинский В.Г., Егоров И.Ф., Лопатин А.С. и др. Теория и практика испытаний на прочность и ввода в действие газопроводов. М.: МАКС Пресс, 2015. 576 с.
3. Патент РФ № 2578261 Способ осушки полости газопровода в условиях отрицательных температур / Житомирский Б.Л., Топилин А.В., Дубинский В.Г. и др. Опубл.18.11.2014.
ON THE ISSUE OF THE GAS QUALITY OF MOISTURE CONTENT IMPACT ON THE ENERGY CHARACTERISTICS OF GAS TRANSPORTATION
ZHITOMIRSKIY B.L., Cand. Sci. (Tech.), Prof., General Director DUBINSKIY V.G., Cand. Sci. (Tech.), Chief Specialist
Gazprom Orgenergogas JSC (11, Luganskaya St., 115304, Moscow, Russia). E-mail: zhyitomirsky@oeg.gazprom.ru
LOPATIN A.S., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of Thermodynamics and Heat Engines Gubkin Russian State University of Oil and Gas (65, korp.1, Leninskiy Pr., 119991, Moscow, Russia). E-mail: lopatin@gubkin.ru ABSTRACT
The issues of a methodology developing for assessing the impact of gas quality on the energy efficiency of the gas transportation system are considered. The physical model of heat and mass transfer of moist gas in a gas pipeline is presented, and the components of the heat balance of the system are validated depending on the concentration of moisture in the transported gas. The quantitative estimation of energy losses and additional compressor stations energy expenditures for their compensation during transportation of the undrained gas with deviations from the designed temperature of the dew point is given.
Keywords: gas pipeline, compressor station, gas quality, moisture content, energy efficiency, heat and mass transfer,
temperature of the dew point.
REFERENCES
1.Porshakov B.P., Lopatin A.S., Kalinin A.F. Energosberegayushchiye tekhnologiiprimagistral'nom transporteprirodnogo gaza [Energy saving technologies in the main transport of natural gas]. Moscow, RGU nefti i gaza im. I.M. Gubkina Publ., 2014. 417 p.
2.Dubinskiy V.G., Yegorov I.F., Lopatin A.S. Teoriya ipraktika ispytaniy na prochnost' i vvoda vdeystviye gazoprovodov [The theory and practice of tests for the strength and commissioning of gas pipelines]. Moscow, MAKS Press Publ., 2015. 576 p.
3.Zhitomirskiy B.L., Topilin A.V., Dubinskiy V.G. Sposob osushkipolostigazoprovoda vusloviyakh otritsatel'nykh temperature [Method of drying the cavity of a gas pipeline in conditions of negative temperatures]. Patent RF, no. 2578261, 2014.
