CC BY
748
УДК 621.314.58:622.691
И.И.Артюхов, И.И.Аршакян, Р.Ш.Тарисов, А.А.Тримбач, Е.В. Устинов
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ
Применяемая в настоящее время технология поддержания заданного значения температуры компримированного газа основана на дискретном изменении расхода воздуха путем включения (отключения) вентиляторов в сочетании с сезонной регулировкой угла установки лопастей. Эта технология имеет ряд существенных недостатков. Оптимизация режима работы аппаратов воздушного охлаждения, эксплуатируемых в условиях резко континентального климата, может быть достигнута за счет частотного регулирования производительности вентиляторов.
Температура газа, аппарат воздушного охлаждения, частотное регулирование I.I. Artyukhov, I.I. Arshakyan, R.S. Tarisov, A.A. Trimbach, E.V. Ustinov
RESOURCE-SAVING COOLING TECHNOLOGY OF COMPRESSED GAS
Compressed gas cooling technology widely applied nowadays, based on discrete change of air consumption due to switching-on / switching-off fans in a combination with the seasonal adjustment of fans' blades corner «attack», has a number of essential lacks. Gas devices operating mode optimization maintained in conditions of sharply continental climate can be achieved due to the frequency regulation of fans productivity.
Gas temperature, air cooling device, frequence regulation
Охлаждение газа является неотъемлемой частью технологического процесса при его транспортировке по магистральным газопроводам (МГ). Снижение температуры газа после компримирования на компрессорных станциях (КС) происходит в установках охлаждения газа (УОГ), которые состоят из определенного количества секций аппаратов воздушного охлаждения (АВО) [1]. Внешний вид УОГ нагнетательного типа, построенной на основе АВО типа 2АВГ-75, представлен на рис. 1. Вентиляторы этой установки расположены под теплообменными секциями и приводятся в движение электродвигателями ВАСО-16-14-24 мощностью 37 кВт.
Охлаждение технологического (транспортируемого) газа в АВО является энергоемким процессом. Мощность, потребляемая электродвигателями АВО одного компрессорного цеха (КЦ), составляет сотни киловатт, что оказывает существенное влияние на структуру электропотребления КС МГ, особенно с газотурбинным приводом нагнетателей. Расход электроэнергии на охлаждение газа может составлять 60-70 % и более общего электропотребления на транспорт газа [2]. Таким образом, повышение эффективности работы установок, осуществляющих охлаждение компримированного газа, является важным фактором экономии топливно-энергетических ресурсов и снижения себестоимости транспорта газа.
В [3] предложен экономический подход к охлаждению газа на КС МГ. В качестве критерия глубины охлаждения газа в УОГ выбрано условие минимума затрат на транспортировку газа по МГ. Для этого производится сравнение в денежном выражении дополнительных затрат на привод вентиляторов АВО предыдущей КС и экономии энергоресурсов на привод нагнетателей следующей КС. По результатам такого сравнения формируется задание по температурному режиму транспортируемого газа.
Тепловая производительность АВО зависит от многих возмущающих факторов, главными из которых являются расход и температура технологического газа после компримиро-вания, степень загрязнения поверхности теплообменников, температура наружного воздуха [4]. Если принять, что первые три вышеперечисленных фактора являются постоянными для заданного режима транспорта газа, то тогда колебания температуры наружного воздуха (суточные и сезонные) являются основным возмущающим фактором, непосредственно влияющим на процесс охлаждения газа. Для поддержания температуры технологического газа в заданных пределах возникает необходимость регулирования охлаждающего эффекта АВО. Это достигается за счет изменения расхода через АВО охлаждающего воздуха, на который влияет количество одновременно работающих вентиляторов, частота вращения рабочего колеса вентилятора, угол «атаки» лопастей [4].
Применяемая в настоящее время на КС МГ технология поддержания температурного режима компримированного газа основана на дискретном изменении расхода воздуха за счет включения (отключения) вентиляторов в сочетании с сезонной регулировкой угла «атаки» лопастей. Эта технология имеет ряд существенных недостатков.
а б
Рис. 1. Установка охлаждения газа: а - внешний вид; б - электродвигатель ВАСО-16-14-24 с вентилятором на валу
Из-за конструктивных особенностей АВО при работе вентилятора часть нагнетаемого им воздуха возвращается через соседний неработающий вентилятор, при достаточной интенсивности потока обеспечивая его вращение в обратную сторону. Такая рециркуляция воздуха оказывает большое влияние на энергоэффективность процесса охлаждения газа, увеличивая потери электрической энергии и снижение КПД установки в целом. К тому же последующий прямой пуск двигателя вентилятора, вращающегося в противофазе, вызывает электрические и механические пусковые ударные нагрузки, многократно превышающие номинально допустимые для системы двигатель - вентилятор. Серьезные нагрузки на узлы вентилятора создают кратковременные отключения электроэнергии, в результате которого вентилятор выключается, и после восстановления электропитания повторно запускается.
В годовом цикле АВО всех типов, используемые в ОАО «Г азпром», эксплуатируются в широком диапазоне температур наружного воздуха. Например, для всей зоны деятельности ООО «Г азпромтрансгаз Югорск» этот диапазон составляет -45... +30°С. При таких значительных сезонных изменениях температуры наружного воздуха меняется и плотность воздуха, что вызывает соответствующие колебания потребляемой электродвигателем мощности (до 30%). Согласование потребляемой вентилятором и располагаемой электродвигателем мощности достигается перестройкой дважды в год (весной и осенью) углов установки лопастей вентиляторов. Эта технологическая операция трудоемка и травмоопасна, требует выполнения серьезных организационных и технических мероприятий для обеспечения безопасного выполнения работ. Однако, сезонное регулирование углов «атаки» лишь частично компенсирует дополнительные затраты (потери) электроэнергии: мехатронная система электродвигатель-вентилятор оказывается настроенной на некий оптимум для некоторого усредненного значения температуры, при которой производится эта регулировка. Отклонения температуры наружного воздуха от этого значения приводят к работе электродвигателей и вентиляторов с ухудшенными энергетическими показателями.
Альтернативой существующей технологии охлаждения компримированного газа является регулирование производительности вентиляторов за счет изменения их частоты вращения [4]. Опыт практической реализации такой технологии подтвердил ряд предполагаемых преимуществ по сравнению с дискретным управлением вентиляторами АВО газа [5]. В частности, получена значительная экономия электроэнергии, размер которой зависит от режима эксплуатации газопровода и климатических условий. Для пояснения механизма этой экономии рассмотрим следующую модель физических процессов в АВО газа.
Охлаждаемый газ протекает через АВО по тонким горизонтальным оребренным трубкам с входного на выходной коллектор. Трубки обтекаются поперечным потоком воздуха, создаваемым расположенными снизу теплообменника двумя вентиляторами. Изменение температуры газа Т вдоль труб теплообменника (в зависимости от координаты x, отсчитываемой по потоку газа вдоль трубки) описывается уравнением
дСр ^ = -0 , (1)
дх
где q - расход газа через трубку теплообменника; СР — теплоемкость при постоянном давлении и температура газа; 0 — снимаемый воздухом тепловой поток с единицы длины трубки. Для последней величины имеем формулу Ньютона — Рихмана
0 = а(т„ - Тв„„). (2)
где а - коэффициент теплопередачи от оребренной трубки в поток воздуха, Т№, Твозд — температура наружной поверхности оребренной трубки и воздуха соответственно.
Примем, что температура наружной поверхности оребренной трубки близка к температуре газа в данном сечении трубки. Последнее предположение не совсем верно в случае
интенсивного обдува, однако допустимо в качественных расчетах, не претендующих на
очень высокую точность. В рамках данного предположения с использованием формул (1) и (2) получим уравнение для изменения температуры газа вдоль труб теплообменника
qcp |Х = -а(т - Тв„д) . (3)
Коэффициент теплопередачи а зависит от скорости поперечного обдува V и от гео-
метрии оребренной трубки (соотношения ее диаметра по сравнению с диаметром ребер, а также межреберного расстояния). Наиболее значимой для анализа является зависимость данного коэффициента именно от скорости поперечного обдува.
В случае турбулентного потока коэффициент теплопередачи оказывается пропорциональным Яе°'8 как для поперечного обтекания цилиндра (в данном случае трубки), так и для продольного обтекания плоской пластины (поверхности оребрения), где Я.е — число Рейнольдса [6]. Поэтому зависимость коэффициента теплопередачи от скорости обдува имеет вид
а = В • Vв, (4)
где B — некая константа, а показатель степени в = 0,8.
Уравнение (3) легко интегрируется. С учетом (4) для изменения температуры газа вдоль трубки теплообменника получим
Т(х)=(Твх -Тв„д)• ехрН^^С,] х}+ Т„д. (5)
Практический интерес представляет лишь температура в конце трубки или на выходе из теплообменника, для которой в соответствии с (5) получим
Твых =(Т„ -Т„.)• ехр{- А ^) ^/Х>)в}+ Тв„д , (6)
где А = 1ВУзв ^°Ср — некая константа (характеристика теплообменника), 1 — длина трубки, q° — номинальный расход газа, V — максимальная скорость обдува при 100%-й мощности электродвигателей.
Значение константы А можно получить опытным путем. Для этого при номинальном расходе газа и при максимальной скорости обдува следует измерить разницу температур газа на входе и на выходе из УОГ и на основании формулы (6) определить константу А. В результате получим
Т - Т
А = - 1П_^-----^. (7)
Твх Твозд
По результатам измерений, проведенных в ходе испытаний системы стабилизации газа в цехе № 10 КС-20 Комсомольского ЛПУ МГ OOO «Газпром трансгаз Югорск», было получено значение константы A = 0,875.
В формуле (6), описывающей изменение температуры газа на выходе АВО, можно перейти от скорости поперечного обдува к потребляемой мощности
(V / V)=^ / N )1/3 №) / пК )]1/3, (8)
где N N,3 — соответственно потребляемая электродвигателем мощность и ее максимальное
значение, п — КПД электродвигателя, который зависит от частоты тока, нагрузки на валу. Пренебрегая зависимостью КПД от режима работы электродвигателя и полагая расход газа через теплообменник равный номинальному, из формулы (6) с учетом (8), получим:
Твых -Тв». = (Т„ -Т„,) • ехр[- А ■ (ШК,)в/3]. (9)
Расчеты по формуле (9) дают теоретическую кривую изменения температуры газа на выходе У ОГ в зависимости от мощности, потребляемой электродвигателями.
На рисунке 2 представлены экспериментальные (по результатам измерений в цехе № 10 КС-20 Комсомольского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск») и расчетные (при А =0,875 и в =0,8) кривые изменения температуры газа в зависимости от потребляемой мощности.
Температура,град.
« дискретное регулирование • частотное регулирование -*—расчет
Мощность, кВт
Рис. 2. Изменение температуры газа на выходе УОГ в зависимости от потребляемой мощности при частотном и дискретном алгоритмах управления
Некоторое расхождение расчетных и экспериментальных кривых при малых мощностях (низких частотах вращения вентиляторов) связано с понижением КПД электродвигателей при работе на низких оборотах и дополнительным (до 1-5 кВт на двигатель) потреблением электрической мощности непосредственно преобразователями частоты. Из графиков на рисунке 2 видна значительная экономия электроэнергии при частотном регулировании по сравнению с дискретным регулированием отключением части электродвигателей.
Поясним, за счет чего достигается значительная экономия мощности при частотном регулировании по сравнению с дискретным регулированием отключением части электродвигателей. Из формул (2), (4) следует, что количество отводимого тепла оказывается практически прямо пропорциональным (с точностью до отличия показателя степени в= 0,8 от 1) количеству продуваемого через теплообменник воздуха. При регулировании температуры газа за УОГ за счет изменения частоты вращения вентиляторов воздух продувается через максимально большое сечение теплообменников. В случае же, когда часть секций отключена (дис-
29
кретное регулирование) для аналогичной величины охлаждения газа требуется прокачать примерно такой же объем воздуха, но через гораздо меньшее сечение (только работающие секции теплообменников), что, очевидно, требует значительного увеличения энергозатрат.
Произведем теперь количественный расчет экономии потребляемой мощности. Экспоненту в формуле (9) можно разложить в ряд Тейлора и оставить в рассмотрении лишь первый (линейный) член. Тогда формула (9) значительно упрощается и принимает вид:
ДТ = А-(N/N0 )в/3 (Твх - Твозд). (10)
где ДТ — разность температур газа на входе и на выходе из УОГ.
Таким образом, зависимость величины охлаждения газа АТ от затрачиваемой мощности в случае частотного регулирования является нелинейной.
Из формулы (10) легко получить следующее выражение
ДТ / ДТ,а„ =(N/N0 Г3, (11)
где ДТмакс — максимально возможное снижение температуры газа, достигаемое при максимальной мощности N0.
Введем понятие коэффициента использования мощности Ечаст, обеспечивающего заданную величину охлаждения ДТ при частотном управлении вентиляторами. Тогда из (11) получим:
5,а„ = N/N0 =(ДТ/ ДТЫаЕС )3/' ■ (12)
Показатель степени 3/ в = 3,75 в выражении (12) весьма велик, поэтому зависимость коэффициента ^част от ДТ становится «резкой». Так, двукратное снижение требуемой величины охлаждения ДТ по сравнению с максимально возможной ДТмакс, что имеет место быть в зимний период, приводит более чем к десятикратному уменьшению коэффициента ^част, или, иначе говоря, величине потребляемой мощности.
В случае дискретного регулирования температуры включением (отключением) части электродвигателей снижение температуры газа ДТ оказывается пропорциональным числу работающих двигателей, а коэффициент использования мощности, соответственно, пропорционален требуемой величине охлаждения газа
= ДТ / ДТ_. (13)
Из формул (12) и (13) получаем связь коэффициентов использования мощности для частотного и дискретного алгоритмов управления, обеспечивающих одинаковое охлаждение газа:
Е = Е3/в . (14)
^част ^дискр \ '
Соответственно разница в потребляемой мощности составит
ДN = N.. й„р )■ (15)
где N,3^ — суммарная мощность всех электродвигателей УОГ.
Подставляя (13) и (14) в (15), получим
ДМ = {(ДТ / ДТ ЫаЕС )-(ДТ / ДТ_ )3/в} . (16)
Максимальную экономию можно легко определить, приравняв производную
д(Дн)/а(ДТ/ДТмакс) к нулю. В результате получим, что
ДN = 0■45N0^ .
Данное значение достигается при ДТ = 0,62 • ДТмакс.
На основании экспериментальных данных (рис. 3) можно построить кривые экономии электрической мощности в зависимости от режима работы АВО. На рис. 3 представлены абсолютные и относительные величины экономии электрической мощности в зависимости от
частоты тока подаваемой на двигатели вентиляторов. Показаны две кривые. Одна кривая показывает абсолютные значения экономии мощности при использовании частотного регулирования по сравнению с дискретным регулированием при одинаковой выходной температуре газа. Вторая кривая характеризует отношение потребляемых мощностей при частотном и дискретном режимах регулирования.
Относительная Абсолютная
экономия экономия, кВт
Частота тока, Г ц
Рис. 3. Абсолютная (1) и относительная (2) экономия электрической мощности в зависимости от частоты управления электродвигателями
Полученные данные хорошо согласуются с приведенными выше расчетами. Так, максимальная экономия электрической мощности составила 375 кВт, что составляет 46 % суммарной электрической мощности УОГ, которая реализуется вблизи частоты тока 28 Гц или 67-% загрузки УОГ при дискретном регулировании, обеспечивающей аналогичное охлаждение газа. Следует отметить, что при частоте тока менее 35 Гц расход электроэнергии при частотном управлении вентиляторами уменьшается более чем в 2 раза по сравнению с дискретным способом управления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Степанов О. А. Охлаждение газа и масла на компрессорных станциях / О. А. Степанов, В. А. Иванов. Л.: Недра, 1982. 143 с.
2. Аршакян И.И. Динамические режимы в системах электроснабжения установок охлаждения газа / И.И. Аршакян, И.И. Артюхов. Саратов: СГТУ, 2004. 120 с.
3. Алимов С.В. Экономический подход к охлаждению природного газа на КС МГ / С.В. Алимов, Е.Г. Зайцев, С.В. Кубаров // Газовая промышленность. 2009. № 3. С. 46-47.
4. Аршакян И.И. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа / И.И. Аршакян, А.А.Тримбач // Газовая промышленность. 2006. №12. С. 52 - 55.
5. Аршакян И.И. Опыт создания и эксплуатации системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа / И.И. Аршакян, А.А. Тримбач, И.И. Артюхов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч.тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 55-64.
6. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: справочник / А.Н. Бессонный, Г.А. Дрейцер, В.Б. Кунтыш и др.; под общ. ред. В.Б. Кунтыша, А.Н. Бессонного. СПб.: Недра, 1996. 512 с.
BIBLIOGRAPHY
1. Stepanov O.A. Cooling of the gas and oil at compressor stations/ O.A. Stepanov, V.A. Ivanov, Leningrad: Nedra, 1982. P. 143.
2. Arshakyan I.I. Dynamic modes in systems of power supply of units for gas cooling / I.I. Ar-shakyan, I.I. Artyukhov. Saratov: SSTU, 2004. P. 120.
3. Alimov S.V. The economic approach to natural gas cooling at CS MG / S.V. Alimov, E.G. Zaitsev, S.V. Kubarov // Gas industry. 2009. Vol. 3. Pp.46-47.
4. Arshakyan I.I. Improving the efficiency of gas cooling systems / I.I. Arshakyan, A.A. Trimbach // Gas industry. 2006. Vol. 12. Pp. 52-55.
5. Arshakyan I.I. Experience of establishing and operating stabilization system of the gas temperature with a frequency-regulated electric fans of units for air-cooling gas / I.I. Arshakyan, A.A. Trimbach, I.I. Artyukhov // Electricity problems: Collection of Scientific Papers. Saratov: SSTU, 2008. Pp. 55-64.
6. Calculation and design of heat exchangers of air cooling: handbook / A.N. Bessonyj , G.A. Drejcer, V.B. Kuntysh and the other; under the general editorship V.B. Kuntysh, A.N. Bessonyj. St. Petersburg: Nedra, 1996. P.512.
Артюхов Иван Иванович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета Аршакян Игорь Ишханович -кандидат технических наук, главный энергетик ООО «Г азпромтрансгаз Югорск»
Тарисов Ришат Шамильевич -
инженер отдела главного энергетика ООО «Газпром трансгаз Югорск», аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета Тримбач Алексей Анатольевич -кандидат технических наук, ведущий инженер отдела главного энергетика ООО «Газпром трансгаз Югорск»
Устинов Евгений Владимирович -кандидат физико-математических наук, заместитель генерального директора по науке ЗАО «Г азмашпроект», г. Москва
Artyukhov Ivan Ivanovich -
Doctor of technical Science, Professor,
Head of the Departament of «Electrosupply of Indastrial enterprises» of Saratov State Technical Univesity Arshakyan Igor Ishkhanovich -Candidate of Technical Science,
Head of the main energetic division of LLC «Gazprom Transgaz Yugorsk»
Tarisov Rishat Shamilievich -Engineer of the main energetic division of LLC «Gazprom Transgaz Yugorsk», Post-graduate Student of the Departament of «Electrosupply of Indastrial enterprises» of Saratov State Technical Univesity Trimbach Alexey Anatolievich -Candidate of Technical Science,
Leading Engineer of the main energetic division of LLC «Gazprom Transgaz Yugorsk»
Ustinov Evgeniy Vladimirovich -Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Science-Research Work Chef of Joint-Stock Company «Gazmashproekt», Moscow
