Меню Рубрики

Установок воздушного охлаждения газа

Анализ технико-экономических факторов применения аппаратов воздушного охлаждения газа на дожимных компрессорных станциях

Автор: О.В. Крюков (НГТУ им. Р.Е. Алексеева).

Опубликовано в журнале Химическая техника №7/2018

Надежная и энергоэффективная работа магистральных газопроводов (МГ) с учетом 60-летнего опыта их эксплуатация зависит от строгого соблюдения оптимальных показателей каждого локального объекта компрессорных станций (КС) [1–4]. Это в значительной степени определяется совершенством существующего парка газоперекачивающих агрегатов (ГПА) [5–8] и аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа [9–12], которые в совокупности являются основными технологическими агрегатами КС (рис. 1).

Рис. 1. Схема компоновки основного оборудования КС МГ из 6 ГПА в блочно-модульном исполнении:
1 – коллектор всасывания; 2 – коллектор сбора продуктов очистки газа; 3 – емкость сбора продуктов очистки высокого давления; 4 – фильтр-сепаратор; 5 – ГПА; 6 – коллектор азотной продувки; 7 – коллектор буферного газа; 8 – коллектор импульсного газа; 9 – АВО газа

Охлаждение технологического газа можно осуществить в холодильниках различных систем и конструкций: кожухотрубных (типа «труба в трубе»), воздушных компрессионных и абсорбирующих машинах, различного типа градирнях, воздушных холодильниках и т.д. Наибольшее распространение на КС получили схемы с использованием АВО газа, где глубина охлаждения газа ограничена температурой наружного воздуха, что особенно сказывается в летний период эксплуатации [1, 13–16]. Естественно, что температура газа после охлаждения в АВО не может быть ниже температуры наружного воздуха.

Взаимное расположение теплообменных секций и вентиляторов для прокачивания воздуха практически и определяет конструктивное оформление АВО. Теплообменные секции АВО могут располагаться горизонтально, вертикально, наклонно, зигзагообразно, что и определяет компоновку аппарата (рис. 2).

Рис. 2. Варианты конструктивной компоновки АВО газа:
а – горизонтальные АВГ; б – зигзагообразные АВЗ; в – малопоточные АВМ; г – блочно-модульные АВО; д – АВО с рециркуляцией нагретого воздуха

В целом же в России и за рубежом АВО газа успешно эксплуатируются в различных отраслях: трубопроводном транспорте, нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности, коксохимической, газодобывающей и др.

АВО общего назначения относятся к эффективному и относительно дешевому теплообменному оборудованию охлаждения газообразных сред, жидкостей, конденсирования паровых и парожидкостных средств, а также энергоносителей в технологических процессах с давлением среды от 0,6 до 10 МПа или под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па, температурой не выше 400°С и вязкостью на выходе до 5*10–5м/с2.

Рис. 3. Конструктивные особенности АВО газа

На рис. 3 приведена конструкция типичного аппарата воздушного охлаждения. На сварной раме 1 размещены теплообменные секции 2. Они состоят из пучка поперечно-оребренных труб. Снизу к раме прикреплен диффузор 3 и коллектор 4, в центре которого расположен осевой вентилятор 5. Вентилятор вместе с осевым редуктором и электродвигателем 7 смонтированы на отдельной раме 8. Для повышения эффективности работы в конструкции АВО могут устанавливаться распыляющие форсунки 9, автоматически включающиеся при повышении температуры окружающей среды.

Анализ технических решений систем электроснабжения АВО газа

Для серийно выпускаемых отечественной промышленностью АВО основным показателем энергоэффективности и надежности их работы является энергоемкость, определяемая минимизацией затрат электроэнергии при эксплуатации. Как правило, электроснабжение АВО газа выполняется по радиальной схеме: комплектная трансформаторная подстанции – распределительное устройство низкого напряжения – шкаф питания и управления электродвигателем вентилятора» [1, 9, 17].

Построение схемы электроснабжения АВО газа осуществляется на основании СТО Газпром 2-6.2-149–2007 «Категорийность электроприемников промышленных объектов ОАО «Газпром»» и «Правил устройства электроустановок» с питанием по второй категории надежности [18–20].

Рис. 4. Структурная схема электроснабжения АВО газа с модулями плавного пуска

Рассмотрим три варианта построения схем электроснабжения и управления электродвигателями вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа:

  • плавный пуск на каждый двигатель вентилятора АВО газа (рис. 4);
  • частотный регулируемый привод (ЧРП) на каждый двигатель вентилятора в АВО газа (рис. 5);
  • комбинированный способ управления – ЧРП на два двигателя вентиляторов и плавный пуск остальных двигателей (рис. 6).

Рис. 5. Структурная схема электроснабжения АВО с частотно-регулируемым приводом

Прямой пуск асинхронного двигателя вентилятора не рассматривается, поскольку ведет к большим пус-ковым токам и колебаниям сети (рис.7), уменьшает возможность запуска нескольких электродвигателей вентиляторов АВО газа одновременно и снижает ресурс коммутационной аппаратуры.

Читайте также:  Установка гидромуфты на акпп тойота

Рис. 6. Структурная схема электроснабжения АВО газа с частотно-регулируемым приводом и устройством плавного пуска

Технико-технологический анализ рассмотренных схем показывает:

  1. Применение устройств плавного пуска (УПП) позволяет ограничить пиковые механические нагрузки как двигателя, так и вентилятора; выполнить мягкий, без толчков пуск; ограничить пусковой ток; повысить коэффициент мощности; экономить энергию при работе двигателя в ненагруженном режиме; исключить пики тока при переключении; отказаться от контакторов и производить коммутацию в отсутствии тока;
  2. Индивидуальное частотное регулирование привода позволяет осуществлять более гибкое (по сравнению с групповым и дискретным) управление процессом охлаждения на всей теплообменной поверхности без вмешательства оператора. Использование частотных регуляторов обеспечивает плавные пуски электродвигателей, которые устраняют пусковые токи и перегрузки, что позволит увеличить ресурс двигателей, а также снижает потребление электроэнергии. Следует также отметить, что использование частотных регуляторов обеспечивает автоматическое поддержание заданной температуры газа с высокой точностью (не ниже 0,2 °С). Кроме того, за счет использования всей теплообменной поверхности в процессе охлаждения достигается более равномерное распределение тепловых нагрузок по аппарату.Достоинствами применения частотного регулирования приводом (ЧРП) также является полное использование площади поверхности теплообмена; сокращение периодических прямых пусков асинхронных двигателей от сети, что повышает их ресурс; экономия потребляемой электроэнергии; защита и постоянный мониторинг параметров работы каждого отдельного электродвигателя и диагностирование состояния подводящей сети; возможность контроля сопротивления изоляции подводящих кабелей; возможность автоподстройки ЧРП в соответствии с индивидуальными характеристиками двигателей; своевременное автоматическое отключение двигателей в предаварийных ситуациях.

Применение индивидуальной системы ЧРП характеризуется минимальным количеством коммутационного оборудования, что определяет высокую эксплуатационную надежность системы, простоту и удобство ее обслуживания;

  • Комбинированная система управления – устройство плавного пуска и частотно-регулируемый привод вентилятора совмещает все положительные качества первых двух схем. Данную систему управления целесообразно применять для оборудования АВО газа ЧРП ориентировочно на 20 %.
  • Комбинированный способ управления также позволяет эффективно регулировать технологические параметры; экономить электроэнергию; при этом кроме эффективного и экономичного регулирования снижают общую аэродинамическую нагрузку вентилятора и механизмов привода.

    Рис. 7. Характеристики параметров режима прямого пуска асинхронного двигателя вентилятора АВО газа: а – динамическая механическая характеристика (изменение угловой скорости); б – изменение электромагнитного момента при пуске

    В соответствии с нормативными документами газовой промышленности и «Техническими требованиями на проектирование…» для охлаждения газа в составе компрессорного цеха на каждой ступени компримирования предусматриваются комплектные установки воздушного охлаждения газа (УВОГ-1 для ГПА 1-й группы, УВОГ-2 для ГПА 2-й группы) на базе аппаратов АВГБС-83 единичной площадью поверхности теплообмена 10 500 м2 и шесть электродвигателей мощностью по 13 кВт каждый.

    Например, УВОГ-2 состоит из 15 АВО (ВХ-2-1…2-15) и предназначена для охлаждения газа после 1-й ступени компримирования, УВОГ-1 состоит из 12 АВО (ВХ-1-1…1-12) и предназначена для охлаждения газа после 2-й ступени компримирования. Для охлаждения газа пускового контура в составе каждой из установок предусмотрены по два комплекта АВО.

    Необходимая температура газа на выходе из установок воздушного охлаждения для дожимных КС обусловлена температурой точки росы отсепарированного пластового газа, а также максимально допустимой температурой газа на всасывании ГПА последующих ступеней компримирования и составляет в зависимости от температуры наружного воздуха:

    • на выходе из УВОГ-2 – плюс 18…20 °С (до плюс 39°С при температуре воздуха плюс 35°С);
    • на выходе из УВОГ-1 – плюс 18…37 °С (до плюс 43°С при температуре воздуха плюс 35°С).

    Поддержание температуры газа после охлаждения на заданном уровне позволяет обеспечивать положительные температуры газа в нижних рядах АВО и исключить образование гидратов и льда в трубных пучках.

    АВО, как правило, дополнительно комплектуются жалюзийными устройствами, расположенными по периметру (боковые жалюзи) и сверху каждого АВО («потолочные» жалюзи). Изменение положения «потолочных» жалюзи позволяет осуществлять регулирование температуры охлаждающего воздуха в зимнее время при температуре воздуха минус 20°С. Необходимая температура воздуха обеспечивается посредством смешения холодного атмосферного воздуха с воздухом, нагретым после прохождения его через теплообменные секции, путем частичной внутренней рециркуляции нагретого воздуха. Степень рециркуляции нагретого воздуха зависит от температуры атмосферного воздуха и положения «потолочных» жалюзи.

    Боковые жалюзийные устройства разделены на две части по высоте. Нижняя часть предназначена для защиты внутреннего пространства установки от снега и открывается только в летний период эксплуатации. Изменение положения створок верхней части боковых жалюзи осуществляется в зависимости от температуры окружающего воздуха в ручном и автоматическом режимах, дистанционно с пульта ДКС и по месту. Управление «потолочными» жалюзи осуществляется только с площадки обслуживания АВО.

    Техническая характеристика аппаратов воздушного охлаждения газа

    Техническая характеристика аппаратов типа АВГБС-83

    Тип АВО АВГБС-83
    Поверхность теплообмена (по оребрению), м2 10 500
    Число теплообменных модулей 2
    Число ходов по трубному пространству 1
    Коэффициент оребрения труб 20
    Длина оребренных труб, м 12
    Давление газа в трубном пространстве, МПа:

    2,70…0,94

    Максимальное давление газа в трубном пространстве, МПа (изб.):
    УВОГ-1 и УВОГ-2 5,60
    Число вентиляторов 6
    Производительность вентиляторов, м3/ч 6137с000
    Тип электродвигателя Тихоходный, ВАСО4-13-12; N1 = 13 кВт
    Исполнение электродвигателя по взрывозащите 1ExdIIBT4
    Мощность электродвигателей одного аппарата, кВт 6×13

    Анализ экономических аспектов применения АВО газа

    Проанализируем стоимость применяемого оборудования на УВОГ при различных вариантах построения систем АВО газа.

    Стоимость применяемого оборудования на УВОГ при различных вариантах построения систем воздушного охлаждения газа представлена в табл. 1, 2.

    УВОГ-1 (12 АВО газа в каждом по шесть асинхронных двигателей)

    Вариант построения системы воздушного охлаждения Схема построения шкафа управления (ШУ) Количество Стоимость одного шкафа управления, тыс. руб. Общая стоимость, тыс. руб.
    1 ШУ с ЧРП на каждый двигатель 12 5 796 69 552
    2 ШУ с ЧРП на пару двигателей 12 6 116 73 392
    3 ШУ с УПП 12 3 564 42 768
    4 ШУ с УПП и ЧРП 12 3 390 40 680

    УВОГ-2 (15 АВО газа в каждом по шесть асинхронных двигателей)

    Вариант построения системы воздушного охлаждения Схема построения шкафа управления (ШУ) Количество Стоимость одного шкафа управления (без НДС), тыс. руб. Общая стоимость, руб.
    1 ШУ с ЧРП на каждый двигатель 15 5 796 86 940
    2 ШУ с ЧРП на пару двигателей 15 6 116 91 740
    3 ШУ с УПП 15 3 564 53 460
    4 ШУ с УПП и ЧРП 15 3 390 50 850

    Данные расчеты проведены по единым ценовым показателям без оценки стоимости коммутационной аппаратуры и без учета применения машин специальной конструкции с датчиками температуры и вентилятором охлаждения. В реальных условиях это обусловлено тем, что при уменьшении частоты вращения до 20–30 % номинальной растет нагрев обмоток и появляется вибрация.

    Рассмотрим пример анализа алгоритма работы УВОГ-1 и УВОГ-2 на дожимной КС и режим работы АВО газа по годам. Часть технологической схемы установки охлаждения газа №1 представлена на рис. 8.

    Рис. 8. Схема технологическая УВОГ-1 на дожимной КС

    Алгоритмы включения установок охлаждения газа в работу определяются соответствующими режимами:

    • плавный (с использованием ЧРП или УПП) пуск двигателей вентиляторов для всех режимов;
    • поочередный (последовательный) пуск двигателей АВО. Плавные пуски двигателей осуществляются от первого ряда по ходу газа до третьего ряда вентиляторов в следующем порядке:– 1 ряд – АВО-1-1…1-12 двигатели №1-1, №1-2;– 2 ряд – АВО-1-1…1-12 двигатели №2-1, №2-2;

    – 3 ряд – АВО-1-1…1-12 двигатели №3-1, №3-2.

    При расчетной температуре окружающего воздуха (18°С) и выше работают все ряды вентиляторов каждого АВО установки.

    В холодное время года регулирование температуры газа осуществляется посредством частотного регулирования частоты вращения вентиляторов, а также за счет внутренней частичной рециркуляции нагретого воздуха.

    Для УВОГ-1 возможен режим работы: по основному потоку с применением 11 агрегатов, по пусковому контуру с использованием 1 агрегата АВО.

    Летний режим работы установки (tокр.воздуха 5°С):

    • основной поток газа – в зависимости от изменения температуры окружающего воздуха автоматическое поддержание температуры газа основного потока на уровне 27…37 °С осуществляется путем включения/выключения рядов вентиляторов без участия системы частотного регулирования, при этом ЧРП вентиляторов используются в качестве плавных пускателей.
    • пусковой контур – при достижении температуры газа после АВО в пусковом контуре ? 30°С выполняется автоматическое включение двигателей вентиляторов АВО-1-1 (или АВО-1-2) и системы регулирования. Система регулирования температуры газа пускового контура предусматривает возможность нескольких вариантов работы: в работе на пусковом контуре одновременно два аппарата, только АВО-1-1 либо только АВО-1-2. В зависимости от температуры окружающего воздуха автоматическое поддержание температуры газа на заданном уровне (35…55 °С) обеспечивается включением/ отключением рядов вентиляторов АВО, при этом ЧРП используются только в качестве плавных пускателей. В случае, если в работе пускового контура только один из АВО, решение о подключении второго аппарата (по значениям температуры газа на выходе пускового контура) принимает оператор ДКС.

    Зимний режим работы установки (tокр.воздуха Рис. 9. Установки АВО газа на площадке КС

    При этом следует иметь в виду, что в соответствии с отмеченными нормативными документами необходимо предусматривать оснащение всех технологических агрегатов КС, включая новые образцы, встроенными системами мониторинга и прогнозирования их технического состояния.

    Полученные технико-экономические показатели по оснащению второй очереди ДКС объекта «Дожимная компрессорная станция на УКПГ-1В Ямбургского НГКМ (2-я очередь)» позволяют сделать вывод о целесо-образности реализации варианта 4 (ШУ с УПП и ЧРП). По принятому критерию оценки вариантов (по величине дисконтированных затрат) вариант 4 имеет преимущество перед другими вариантами, и его реализация позволит инвестору сэкономить до 49 900 тыс. руб.

    источник

    Конструкции аппаратов воздушного охлаждения

    Описание и назначение АВО

    АВО (воздушные холодильники) применяют для осуществления необходимых тепловых процессов, таких как:

    • Охлаждение газов и жидкостей;
    • Конденсация газа;
    • Конденсация пара-жидкостных сред.

    По принципу действия АВО относят к поверхностным аппаратам, а по способу передачи теплоты к рекуперативным.

    Использование аппаратов воздушного охлаждения в технологических процессах нефтеперерабатывающих заводов широко распространено.

    АВО можно отнести к аппаратам поверхностного типа, где в качестве хладагента используют атмосферный воздух. Данные аппараты рассчитаны на работу в широком диапазоне рабочих давлений. Давление аппарата определяет охлаждаемая среда и ее температура.

    Особенности конструкций АВО

    АВО состоит из следующих основных частей:

    Секции АВО представляют собой пучок из оребренных труб, собранных в трубной решетке и закреплённые методом развальцовки с- или без- обварки. Трубная решетка соединяется с коллектором, к которому в свою очередь подводят трубопроводы, падающие или отводящие охлаждаемую среду.

    Секции АВО состоят из труб с оребрением, которое выполняется методом накатки или навивки. На российских НПЗ чаще используют накатные ребра, получаемые выдавливанием ребер из алюминиевой трубы надетой на стальную. Такие трубы имеют увеличенный коэффициент теплопередачи по сравнению с гладкими, что позволяет компенсировать низкую теплоотдачу воздуха.

    Система подачи воздуха включает в себя:

    • рабочее колесо вентилятора
    • электродвигатель с фундамертом
    • диффузор электровентилятора
    • предохранительную сетку

    Секции аппарата устанавливают на опорные металлоконструкции, система подачи воздуха крепится снизу.

    По требованию заказчика для ремонта аппарата могут быть допоставлены отдельные части:

    • теплообменная секция
    • трубный пучок (секции без крышек, прокладок)
    • крышка секции
    • колесо вентилятора
    • лопасть вентилятора
    • жалюзи
    • увлажнитель воздуха
    • комплект форсунок для увлажнения воздуха
    • подогреватель воздуха

    Дополнительно аппарат может быть оснащен:

    • пневмоприводом жалюзи
    • позиционером к пневмоприводу жалюзи
    • увлажнителем
    • подогревателем воздуха

    Принцип действия

    Воздух нагнетается лопастями рабочего колеса вентилятора в межтрубное пространство. Лопасти рабочего колеса вентилятора находятся в цилиндрическом коллекторе, который предназначен для направления потока воздуха.
    Коллектор соединяется с теплообменной секцией с помощью диффузора. Диффузор представляет собой перевернутую четырехугольную пирамиду и способствует выравниванию скоростей потока воздуха перед входом в секцию.
    Диффузор коллектора вентилятора крепится к раме. К этой же раме крепятся теплообменные секции. Вентилятор с двигателем находится на специальной раме.

    Воздух, проходя сквозь секцию, нагревается, а продукт в трубах охлаждается или конденсируется.
    Для изменения расхода воздуха на секции АВО на вентиляторе устанавливается регулятор скорости вращения лопастей или частотный преобразователь.

    Дополнительно регулировать объем подаваемого воздуха можно при помощи изменения угла поворота лопастей вентилятора или установкой специальных устройств – жалюзей. Расположены они сразу после теплообменных секций и регулируется либо вручную либо при помощи электромеханического привода.

    Конструкции АВО и количество секций теплообмена могут быть различными но принцип действия всегда остается одним и тем же.

    Видео работы аппарата воздушного охлаждения на НПЗ