CC BY
36
УДК 622.692.4.076:62-533.65
Определение тепловых потерь подогревателя газа газораспределительной станции с промежуточным теплоносителем
В.М. Янчук1*, И.В. Шишкин2, С.А. Шкулов2, Д.В. Федотов2, ПА Кузьбожев2, А.В. Сальников3
1 ООО «Газпром трансгаз Ухта», Российская Федерация, 169300, Республика Коми, г. Ухта, наб. Газовиков, д. 10/1
2 Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта, Российская Федерация, 169330, Республика Коми, г. Ухта, ул. Севастопольская, д. 1-а
3 ООО «Транснефть - Порт Приморск», Российская Федерация, 188910, Ленинградская обл., Выборгский р-он, пр. Портовый (Приморская тер.), д. 7
* E-mail: v.yanchuk@sgp.gazprom.ru
Тезисы. В качестве устройств подогрева газа газораспределительной станции (ГРС) наибольшее распространение получили подогреватели газа с промежуточным теплоносителем. В соответствии с данными производителей, коэффициент полезного действия подогревателей рассматриваемого типа в номинальном режиме работы составляет 82 % (87 % у современных моделей). Фактически, эффективность работы устройств может быть значительно ниже обозначенного уровня, что обусловлено рядом негативных факторов, к которым могут быть отнесены теплопотери в окружающую среду вследствие недостаточной эффективности мероприятий по теплоизоляции корпуса подогревателя.
С целью определения особенностей теплообмена между действующими подогревателями газа и окружающей средой было выполнено детальное тепловизионное обследование и расчетное моделирование подогревающего оборудования ГРС. В результате анализа полученных сведений установлено:
• общие тепловые потери тепловой энергии в подогревателе ранней конструкции достигают 4,1 % от общей генерируемой тепловой мощности устройства;
• в зимний период, в режиме высокой производительности теплогенератора, до 2,6 % получаемой тепловой мощности приходится на тепловые потери через теплоизоляционный слой корпуса, до 0,5 % на тепловые потери через опоры корпуса и до 1 % на тепловые потери с открытых поверхностей приемной камеры дымовой трубы.
Ключевые слова:
подогреватель газа, теплообмен, тепловизионное обследование.
В качестве устройств подогрева газа газораспределительной станции (ГРС) наибольшее распространение получили подогреватели газа с промежуточным теплоносителем, включающие следующие основные узлы:
• стальной корпус (резервуар) с теплоизолированными стенками, заполненный промежуточным теплоносителем (вода, диэтиленгликоль);
• блок нагрева, состоящий из жаровой трубы с поворотным коробом и блоком дымогарных труб;
• блок сжигания топливного газа, включающий размещаемые в жаровой трубе основную и запальную горелки, трубопроводы топливного газа, управляющее и регулирующее оборудование;
• теплообменник для нагрева газа, выполненный в виде трубной сборки, присоединенной к поворотной и разделительной двухобъемной камере с двумя патрубками с фланцами для присоединения подводящего и отводящего трубопроводов нагреваемого газа;
• блок автоматики.
При работе подогревателя высокотемпературные продукты сгорания природного газа последовательно проходят через жаровую и дымогарные трубы, передавая за счет конвективного теплообмена тепловую энергию промежуточному теплоносителю, который далее передает тепло проходящему по теплообменнику и нагреваемому природному газу.
В соответствии с данными производителей коэффициент полезного действия (КПД) подогревателей рассматриваемого типа в номинальном режиме работы составляет 82 % (87 % у современных моделей). Фактически, эффективность работы устройств может быть значительно ниже обозначенного уровня, что обусловлено рядом негативных факторов, к которым могут быть отнесены теплопотери в окружающую среду вследствие недостаточной эффективности теплоизоляции корпуса подогревателя.
В качестве средства теплоизоляции корпуса подогревателя типа ПТПГ-30 (ранней конструкции) применялись маты, имеющие оболочку из стеклоткани, заполняемые минеральной (базальтовой) ватой. Толщина теплоизоляционного слоя составляла 20.. .30 мм (рис. 1).
Опыт применения в качестве теплоизоляции материалов на основе минеральных нитей или волокон показывает, что с течением времени при относительно малом тепловом потоке через теплоизоляционный слой (в периоды отключения подогревателей) происходит его постепенное водонасыщение атмосферной влагой и уплотнение под собственным весом. В результате происходит снижение эксплуатационных характеристик теплоизоляции с увеличением коэффициента теплопроводности материала.
Для устранения основных недостатков теплоизоляционного слоя (водонасыщение, уплотнение) в современных устройствах используются твердые негорючие пористые теплоизоляционные материалы (например, пенополиуретан), показывающие при эксплуатации меньшую интенсивность снижения характеристик.
Также для повышения эффективности теплоизоляции толщина ее слоя в современных подогревателях значительно увеличена (в 3 раза и выше) до 100.110 мм.
Результаты тепловизионного контроля, расчетное моделирование
С целью определения особенностей теплообмена между действующими подогревателями газа и окружающей средой было выполнено детальное тепловизионное обследование подогревающего оборудования ГРС. В качестве объекта контроля выступали подогреватели газа типа ПТПГ-30 ранних версий (срок эксплуатации - 25 лет) и усовершенствованной конструкции (срок эксплуатации - до 8 лет), характеризуемые сходной теплопроизводи-тельностью и имеющие отличия по организации теплоизоляции корпуса.
Фрагмент протокола, содержащего результаты тепловизионного контроля подогревателя газа ПТПГ-30 ранней конструкции, показан на рис. 2. Установлено, что теплоизоляция корпуса устройства недостаточна и при температуре промежуточного теплоносителя 55 °С и температуре воздуха минус 12 °С температура облицовочного стального слоя достигает 7 °С. К зонам интенсивного теплоотвода также относятся опоры (температура в зоне стыковки с корпусом достигает 40 °С), узел соединения теплогенератора с корпусом (присоединительный фланец), открытые части приемной камеры дымовой трубы.
Теплоизоляция корпуса подогревателя выполнена из минеральной ваты, в исходном состоянии имеющей коэффициент теплопроводности приблизительно 0,05 Вт/(м-К).
Рис. 1. Характерные нарушения теплоизоляционного покрытия корпуса подогревателя ПТПГ-30 с длительным сроком эксплуатации
Для условий эксплуатации обследуемого подогревателя температура поверхности при исправном состоянии теплоизоляции должна составлять не больше минус 7 °С, при этом плотность теплового потока с поверхности корпуса приблизительно составляет 120 Вт/м2 (рис. 3). Фактически, зафиксированная температура поверхности корпуса (7 °С) обеспечивается при условии увеличения коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала до X ~ 0,2 Вт/(м-К), при этом плотность теплового потока примерно возрастает до 360 Вт/м2 (увеличивается примерно в три раза).
Общая площадь поверхности корпуса подогревателя составляет примерно 24 м2, соответственно, объем теплопотерь приблизительно составит 9 кВт.
В соответствии с данными эксплуатирующей организации, секундный расход топливного природного газа составляет примерно 0,011 м3/с. При условии полной утилизации получаемого тепла (что недостижимо в реальных условиях) тепловая мощность устройства составит не менее 350 кВт, из которых 2,6 % составляют тепловые потери через корпус.
Для оценки теплопотерь через опоры корпуса (выполненные из стали и не имеющие теплоизоляционного слоя) выполнено расчетное
41,
40
35
30 ■
25
20 1-51
15
10
5 11
0
В -6 -5
Рис. 2. Результаты тепловизионного обследования подогревателя газа с промежуточным теплоносителем ранней конструкции
моделирование процессов теплообмена, происходящих в подогревателе при заданном режиме работы (рис. 4), по результатам которого установлено следующее [1]:
• плотность теплового потока проходящего через металл опоры в месте присоединения к корпусу приблизительно составляет 33 кВт/м2;
• при условии, что общая площадь поверхности контакта двух опор с корпусом составляет 0,05 м2, объем теплопотерь через опоры составит 1,7 кВт или примерно 0,5 % от тепловой мощности теплогенератора.
Плотность теплового потока, отводимого в воздух от поверхности металла приемной камеры дымовой трубы, составляет примерно 1 кВт/м2. При полной площади поверхности
& 51еа*|у-5ше Т1ш|ша|
Тетрега1иге _
Туре Тет»е!а1иге Г777Т7 ипИ'С I -
Игле: I
17.03 2Е2015 56
54,963 Мах 48.103 41.222 34,341 27,46
13.69В 6,а176 -0.083186 .6.944 Мп
О 60
о
Й а
Ё? 50 й а и
40 30 20 10 0 -10
— 0,05 Вт/(м-К) — 0,10Вт/(м-К) — 0,15 Вт/(м-К) — 0,25 Вт/(м-К)
500
н
т
5 400
300
200
£ 100
0
15 9
10
о
Й Л и И
о
Й
а
£
а и
и Н
0
10
0,1 0,2 0,3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м К)
0 10 20 30 Линейная координата (от основания слоя), мм
б в
Рис. 3. Оценка теплопотерь подогревателя типа ПТПГ-30 ранней конструкции (температура воздуха минус 12 °С, температура промежуточного теплоносителя 55 °С): а - поле распределения температур; б - график распределения температур по толщине слоя теплоизоляции в зависимости от коэффициента теплопроводности; в - тепловой поток с поверхности теплоизоляционного слоя при различном коэффициенте теплопроводности материала
5
0
а
теплообмена, приблизительно составляющей 2,7 м2, теплопотери составят 2,7 кВт, или примерно 1 % от общей генерируемой тепловой мощности.
Тепловизионное обследование подогревателя усовершенствованной конструкции показало следующее:
• теплоизоляция корпуса достаточно эффективна, температура облицовочного слоя примерно соответствует или немного превышает температуру воздуха;
• поверхность приемной камеры дымовой трубы оснащена теплоизоляционным слоем с внешней облицовкой из стального листа с минимальными теплопотерями;
• наибольшая интенсивность излучения зафиксирована на опорах корпуса
Р:3(еа<|у-5|а)е ТИемла!
ТетрегаШге 5 Туре, Тетрегашге ипЛ: "С Т|те 1
19.03.2021) 0 <0
Рис. 4. Температура опор (а) и приемного короба дымовой трубы (б) в рабочем режиме работы контролируемого устройства (подогревателя типа ПТПГ-30 ранней конструкции)
Ж
% 5
Минимум -2,0 °С Максимум 23,1 °С Среднее значение 10,4 °С
0
-10,8
-7,4
-4,0
-0,7
6,1
12,9
16,3 19,7 23,1 Температура, °С
Рис. 5. Температура опоры подогревателя газа типа ПТПГ-30 новой конструкции (температура промежуточного теплоносителя - 32 °С, температура воздуха - минус 15 °С): а - общий вид устройства; б - тепловизионный снимок; в - распределение температуры
по видимой поверхности опоры
б
20
15
10
5
0
4
в
1
и присоединительном фланце теплогенератора к корпусу (температура нагрева достигает 23 °С при температуре промежуточного теплоносителя 38 °С, рис. 4).
Результаты тепловизионного контроля и расчетного моделирования показывают, что в подогревателе типа ПТПГ-30 ранней конструкции имеют место значительные тепло-потери:
• установлено, что в зимний период, в режиме высокой производительности теплогенератора, до 2,6 % получаемой тепловой мощности приходится на тепловые потери через теплоизоляционный слой корпуса, до 0,5 % на тепловые потери через опоры корпуса и до 1 % на тепловые потери с открытых поверхностей приемной камеры дымовой трубы;
• общие тепловые потери тепловой энергии в подогревателе ранней конструкции достигают 4,1 % от общей генерируемой тепловой мощности устройства.
В подогревателях новой конструкции имеет место снижение тепловых потерь, но оно незначительно, так как основные узлы тепло-отвода (опоры корпуса, присоединительный
фланец теплогенератора) остаются так же, как и в подогревателях ранней конструкции открытыми и общие тепловые потери с теплоиз-лучающих поверхностей могут достигать 2 % (рис. 5).
***
Одним из условий обеспечения высокой эффективности нагрева газа в подогревателях с промежуточным теплоносителем является минимизация тепловых потерь в окружающую среду, что может быть обеспечено, в том числе, за счет качественной теплоизоляции поверхностей теплоотвода. Реализация подобных решений позволит повысить КПД устройств без внедрения существенных изменений в конструкцию.
Список литературы
1. Чигарев А.В. ЛЫБУБ для инженеров: справ. пособие / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 512 с.
