авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Система подогрева топливного газа перекачивающих агрегатов магистральных газопроводов с применением двухфазных термосифонов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Юсупов Салават Турсуналиевич

Система подогрева топливного газа

перекачивающих агрегатов магистральных газопроводов с применением двухфазных термосифонов

Специальность 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы»

(нефтегазовая отрасль)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа - 2009

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ризванов Риф Гарифович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Байков Игорь Равильевич;

доктор технических наук, профессор

Березин Всеволод Леонидович.

Ведущая организация ГУП «Институт проблем транспорта

энергоресурсов»

Защита состоится 09 октября 2009 года в 15-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 9 сентября 2009 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Повышение эффективности расходования энергоресурсов и энергосбережение являются высшим приоритетом энергетической стратегии России до 2020 года.

ОАО «Газпром» занимает второе место в стране по объемам энергопотребления, в его отраслевой структуре 83% потребления топливно-энергетических ресурсов приходится на подотрасль «транспорт газа». В соответствии с проведенным анализом отдела энергосбережения и экологии Департамента по транспортировке и подземному хранению газа потенциал экономии природного газа на период с 2004 по 2006 годы оценивался более чем в 8 559 млн. м3 газа или 76,54% от ожидаемого суммарного энергосбережения в ОАО «Газпром».

Поэтому даже относительно небольшие снижения расхода газа на собственные нужды позволят высвободить ресурсы газа для подачи его потребителям в РФ и на экспорт, снизить эксплуатационные издержки за счет энергетической составляющей, снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.

В качестве топлива для газоперекачивающих агрегатов используется тот же перекачиваемый природный газ, расход которого на 1 тысячу нм3 перекачиваемого газа в среднем составляет 2,95-3,95 нм3.

Подогрев топливного, импульсного газа перед подачей в газотурбинную установку осуществляется подогревателями газа (ПТПГ-30, ПГ-10, ПГА-200 и др.) за счет сжигания природного газа.

Чтобы исключить сжигание перекачиваемого природного газа, для решения поставленной задачи - подогрев топливного газа - предлагается осуществлять за счет использования вторичных энергоресурсов.

При сжигании топлива в газоперекачивающих агрегатах образуются продукты сгорания, несущие большой потенциал вторичной тепловой энергии.





Теплота отходящих дымовых газов на компрессорных станциях ОАО «Газпром » утилизируется для получения теплофикационной воды.

Теплофикационная вода является носителем низкопотенциальной тепловой энергии, достаточной для подогрева топливного газа. Поэтому возникает необходимость подбора или разработки теплообменных устройств, позволяющих обеспечить эффективный перенос тепла нагреваемому потоку при малом температурном перепаде между теплообменивающимися средами.

На основе проведенного анализа и ранее проведенных собственных исследований выбрано теплопередающее устройство на базе замкнутых двухфазных термосифонов.

В двухфазных замкнутых термосифонах реализуется новый физический принцип, основанный на использовании скрытой теплоты парообразования при фазовых превращениях (кипении и конденсации) промежуточного теплоносителя. При этом коэффициент теплопередачи в несколько раз выше по сравнению с конвективным теплообменом.

Применение высокоэффективного теплообменного оборудования обеспечит энергосбережение за счет более полного использования вторичных энергоресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, сократит количество сжигаемого природного газа на технологические нужды; в связи с этим решаемая в данной работе научная задача представляет несомненную актуальность.

Цель работы – разработка нового регенеративного оборудования для снижения расхода природного газа на собственные нужды за счет использования вторичных энергетических ресурсов на компрессорных станциях газотранспортных предприятий.

Основные задачи работы

1 Подбор и обоснование возможности применения теплообменного оборудования на базе замкнутых двухфазных термосифонов для использования утилизированного тепла отходящих газов газоперекачивающих агрегатов на примере подогрева топливного газа.

2 Разработка конструкции узла крепления термосифонов к разделительной трубной решетке.

3 Разработка технологий очистки внутренней поверхности, вакуумирования и заполнения промежуточным теплоносителем термосифонных труб.

Научная новизна

1 Выполнен синтез системы подогрева топливного газа с применением двухфазных термосифонов и определены взаимное положение в пространстве конструктивных элементов системы и формы связей между ними.

2 Приведены в единую систему аналитические зависимости для расчетов технологических и конструктивных параметров функционального теплообменников на базе замкнутых двухфазных термосифонов, основанных на использовании скрытой теплоты парообразования при фазовых превращениях.

3 Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования электрогидроипульсной технологии для очистки внутренних поверхностей термосифонных труб. Установлены технологические параметры процесса эффективной очистки термосифонных труб.

Практическая ценность

Разработана система подогрева топливного газа на базе двухфазных термосифонов, позволяющие эффективный съем низкопотенциального тепла от вторичных энергетических ресурсов, исключив при этом сжигание перекачиваемого природного газа.

Предложены новые конструктивные решения крепления оребрённых труб к трубной решетке с последующим вакуумированием и заполнением промежуточным теплоносителем.

Положения, выносимые на защиту

  1. Доказанная эффективность применения системы подогрева топливного и пускового газа, основанная на двухфазных термосифонах, с использованием утилизированного тепла отходящих дымовых газов газоперекачивающих агрегатов. Аналитические зависимости расчета теплотехнических и конструктивных параметров теплообменного устройства.
  2. Новая конструкция узла крепления термосифонов с трубной доской.
  3. Способ очистки внутренней поверхности термосифонов с применением разрядно-импульсного устройства.
  4. Разработанная технология вакуумирования и заполнения термосифонов промежуточным теплоносителем.

Апробация работы

Результаты научных исследований докладывались:

- на IV Международной научно-технической конференции «СВАРКА. КОНТРОЛЬ. РЕНОВАЦИЯ -2004» (Уфа);

- научно-практической конференции «Инновационный потенциал молодых специалистов ОАО «Газпром» как условие повышения эффективности разработки и эксплуатации углеводородных месторождений Ямала» (Ямбург, 2004);



- учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2005» (Уфа);

- Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия – 2006», проводимой в рамках XIV Международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии – 2006» (Уфа);

- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа - 2007» (Уфа);

- научно-техническом семинаре «Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2009).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 печатных трудах, в том числе в 15 статьях (1 – в издании, входящим в перечень ВАК РФ) и 2 патентах РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, библиографического списка, включающего 137 наименований. Изложена на 118 страницах машинописного текста, включает 15 рисунков и 16 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, приведены краткая характеристика полученных результатов диссертационной работы, сведения о научной новизне, практической ценности и апробации работы.

Отражен личный вклад автора в теоретические и практические разработки.

Первая глава посвящена анализу современного состояния утилизации вторичных энергоресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов; содержит обзор работ по созданию компактных и эффективных теплообменников; завершается обоснованием выбора теплопередающего устройства на базе двухфазных термосифонов для подогрева топливного и пускового газа, исключив при этом сжигание перекачиваемого газа.

На компрессорных станциях (КС), обслуживающих магистральные газопроводы, установлены газоперекачивающие агрегаты (ГПА), состоящие из газотурбинных установок (ГТУ) и центробежных компрессоров (ЦБК), предназначенных для компримирования перекачиваемого природного газа. В качестве топлива для ГПА используется все тот же перекачиваемый природный газ.

Подогрев топливного и пускового газа осуществляется подогревателями газа типа ПГ-10, ПГА-200, ПТПГ-30.

Камера сжигания газа в ПТПГ-30 представляет собой пустотелую емкость, через поверхность которой посредством сжигания природного газа происходит нагрев водного раствора ДЭГ; по трубному пучку, погруженному в ДЭГ, проходит нагреваемый топливный газ. Процесс крайне неэффективен и связан со сжиганием значительного количества природного газа.

Таким образом, если отказаться от сжигания газа при подогреве топливного, импульсного и пускового газа, а нагрев осуществлять за счет утилизированной теплоты отходящих дымовых газов, это позволит снизить потребление природного газа на собственные нужды.

При сжигании топлива в ГПА образуются отходящие дымовые газы, представляющие собой вторичные энергоресурсы и несущих эффективный потенциал не только тепловой энергии, но и энергии повышенного давления дымовых газов по сравнению с давлением окружающей среды.

Утилизация теплоты отходящих дымовых газов на компрессорных станциях КС ОАО «Газпром» в основном производится утилизаторами типа УТ-10М02,7 и УТБ-1,5-0,6.

Причем необходимо отметить, что утилизируется и используется менее 42% существующего потенциала вторичных энергоресурсов. Основными возможными направлениями использования утилизированной теплоты дымовых газов являются:

  1. система горячего тепловодоснабжения;
  2. подогрев воздуха, подаваемого в камеру сгорания газотурбинной установки;
  3. подогрев топливного и пускового газа;
  4. подогрев воздуха для отопления производственных помещений;
  5. подогрев маслосистемы.

Теплофикационная вода, нагретая утилизированным теплом дымовых газов, является доступным, дешевым, безопасным носителем низкопотенциальной энергии.

Проведенные в работе расчеты позволяют сделать следующий вывод: количества утилизированной теплоты, выработанной в утилизаторах теплофикационной воды, в среднем за год, достаточно не только для горячего водоснабжения, но и для других целей, в том числе для подогрева топливного, импульсного и пускового газа.

Возникает задача выбора теплопередающего устройства, позволяющего осуществлять эффективный съем тепловой энергии от теплофикационной воды и на его основе разработать технологическую схему нагрева топливного, импульсного и пускового газа, отказавшись от сжигания природного газа.

В настоящее время в различных странах ведутся интенсивные работы по созданию компактных и эффективных теплообменников для нагрева воздуха и газа. В диссертационной работе приведен подробный анализ создания и эксплуатации теплообменников различного типа. В нем показано, что использование традиционных (кожухотрубчатых) и новых (пластинчатых, спиральных) нецелесообразно для решения поставленной в работе задачи. Обзор литературных источников и ранее проведенных исследований показал, что поставленным задачам исследования в наибольшей степени удовлетворяют теплообменники на базе замкнутых двухфазных термосифонных труб.

Двухфазные термосифоны (рисунок 1) представляют собой герметично закрытую полость 1, частично заполненную промежуточным теплоносителем 2. Внутри полости термосифона происходят фазовые превращения, в результате которых образуются две фазы: пар и жидкость. При работе термосифона протекают три процесса: кипение (испарение), конденсация и свободно-конвективный тепломассоперенос между участками кипения и конденсации. В термосифоне можно выделить три зоны: зону нагрева (испаритель) 3, транспортную зону 4, и зону конденсации (конденсатор) 5. Деление на эти зоны условно, так как перенос вещества происходит во всех зонах.

Рисунок 1 - Схема двухфазного термосифона

При подводе теплоты +Q нагревающей средой в испарительной зоне промежуточный теплоноситель начинает кипеть, образующийся пар направляется в конденсатор, где конденсируется на стенках, отдавая теплоту фазового перехода охлаждающей среде. Конденсат под действием гравитационных сил движется в испаритель. Процессы в термосифоне протекают непрерывно, что обеспечивает передачу теплоты от одной зоны к другой. Термосифоны обладают малым термическим сопротивлением, просты и автономны в работе, не требуют дополнительных затрат на перекачку промежуточного теплоносителя. Малое термическое сопротивление или высокая теплопередающая способность термосифонов определяется протекающими в его полости процессами – кипением промежуточного теплоносителя в испарителе, перемещением пара за счет разности давлений в испарителе и конденсаторе в результате уменьшения объема при конденсации пара. Эти процессы позволяют передавать большие тепловые потоки при малом перепаде температур на значительные расстояния, что является также отличительной особенностью термосифонов.

Подобные устройства использовались еще в девятнадцатом столетии, однако до недавнего времени применение их было весьма ограничено. Лишь в последние годы в связи с развитием новой техники начались интенсивные разработки и внедрение аппаратов и установок, выполненных на их основе. Эти установки характеризуются автономностью, отсутствием перекачивающих средств, высокой интенсивностью внутренних процессов тепломассопереноса, возможностью применения различных промежуточных теплоносителей и др. Двухфазные термосифоны отличаются простотой в изготовлении, надежностью в эксплуатации, обладают высокими показателями максимальной теплопередающей способности.

В настоящее время целенаправленные исследования и промышленные внедрения термосифонов в основном характерны для смежных отраслей – теплоэнергетика, строительство, нефтепереработка и нефтехимия. В решении поставленной научной цели автор опирался на исследования, выполненные Капицей П.Л., Кутателадзе С.С., Безродным М.К., Пиоро П.С., Пиоро И.С., Мокляком В.Д., Подгорецким В.М., Луксом А.Л., Евтюхиным Н.А., Бакиевым Т.А., Нагумановым А.Х.

Глава вторая. На компрессорных станциях магистральных газопроводов технологическая схема системы подготовки топливного и пускового газа содержит последовательно расположенные блок очистки, подогреватель газа, блоки редуцирования топливного и пускового газа, сепаратор повторной очистки. После прохождения этих систем топливный газ направляется в камеру сгорания ГТУ. Пусковой газ поступает на вход в турбодетандер, где расширяется и совершает раскрутку осевого компрессора и турбины высокого давления.

Предметом исследования является подогреватель топливного газа. Суть модернизации заключается в исключении использования природного газа путем замены камеры сгорания на блок термосифонных труб и в использовании их для нагрева топливного газа утилизированной низкопотенциальной теплоты теплофикационной воды.

Глава посвящена определению теплотехнических и конструктивных параметров теплообменников на базе двухфазных термосифонов для каждой конкретной установки, что является самостоятельной научной задачей, включающей множество факторов. Среди них: обеспечение эффективности функционирования термосифонов; совместимость материалов и теплоносителей; технологичность изготовления; установление форм связей конструктивных элементов для эффективной передачи тепла нагреваемому топливному газу от вторичного энергетического ресурса – теплофикационной воды.

В термосифонных устройствах происходят многообразные процессы, такие как парообразование промежуточного теплоносителя в испарительной части; в конденсационной зоне идет процесс конденсации, близкий к пленочной конденсации; возможно влияние парового потока на движение конденсата. В этом заключается специфика и сложность проектировочных расчетов.

Расчеты проводились для определения тепловой мощности, температурного перепада по длине термосифона с учетом внешних воздействий и основных геометрических характеристик.

В качестве промежуточного теплоносителя в термосифоне в расчете принята дистиллированная вода.

Расход подогреваемого топливного газа в подогревателе ПТПГ-30 в соответствии с техническими характеристиками, равен 25000 нм3/ч. Тепловая мощность, отдаваемая горячим теплоносителем для нагрева такого количества газа составляет 0,405 Гкал/ч (0,471 МВт).

В диссертации содержатся расчеты, в которых определены:

  1. Расход теплофикационной воды, необходимой для нагрева топливного газа из уравнения теплового баланса.
  2. Коэффициент теплоотдачи от теплофикационной воды к наружной поверхности термосифонных труб.
  3. Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности термосифонной трубки к промежуточному теплоносителю.

Выполняются расчеты:



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.