4.2 Подбор аппаратов воздушного охлаждения газа

Компримирование газа на КС сопровождается его нагревом. Охлаждение газа проводится на выходе станций и осуществляется с целью: предотвращение нарушения устойчивости и прочности труб и покрывающей их изоляции; для предотвращения растепления грунтов многолетнемерзлых, в которых уложен газопровод, обслуживаемый КС; для повышения экономичности транспорта газа за счет уменьшения его объема при охлаждении.

Охлаждение газа осуществляется, как правило, в агрегатах воздушного охлаждения (АВО). Разработка установки охлаждения газа в объеме курсовой работы включает в себя: определение типа и количества аппаратов воздушного охлаждения газа, разработку технологической схемы установки. Тип АВО определяется экономичностью его использования для условий рассматриваемой КС, количество АВО - гидравлическим и тепловым расчетом газопровода, исходя из расчетной среднегодовой температуры наружного воздуха, среднегодовой температуры грунта на глубине заложения газопровода и оптимальной среднегодовой температуры охлаждения газа. Полученное количество АВО уточняется гидравлическим и тепловым расчетом газопровода для абсолютной максимальной температуры наружного воздуха и июльской температуры грунта.

Максимальная температура транспортируемого газа, определенная в ходе проверочного расчета, не должна приводить к потере устойчивости и прочности труб и изоляционного покрытия их. При невыполнении этого условия количество АВО должно быть увеличено.

4.2.1 Исходные данные для расчета потребного количества АВО

Определяем расчетную среднегодовую температуру наружного воздуха и оптимальную среднегодовую температуру охлаждения газа . Согласно п. 3.65 [4] принимаются на 10-15°С выше расчетной среднегодовой температуры наружного воздуха :

; (4.5)

где t_a- среднегодовая температура наружного воздуха, °С;

- поправка на изменчивость климатических данных, принимается равной 2°С.

;

Определение общего количества тепла, подлежащего отводу от газа на установке

Q₀ = M · C_p · (t₁ – t₂), Дж/с; (4.6)

где М - общее количество газа, охлаждаемого на КС, кг/с;

C_p - теплоемкость газа при давлении на входе в АВО t = 0,5(t₁ – t₂) Дж/(кг·К), определяется по формуле 4.35 [5];

t₁ - температура газа на входе в АВО, равная температуре газа на выходе компрессорных машин, °С.

t₂ - оптимальная температура охлаждения газа, °С.

кг/с;

4.2.2 Предварительное определение количества АВО

К рассмотрению принимаются несколько различных типов АВО. В данном случае по рабочему давлению 7,36 МПа принимаем АВО АВЗ₂-5300, 2АВГ-75С, «Крезо-Луар», «Пейя», «Хадсан-Итальяно».

Из первоначального анализа принятых АВО можно сразу отбросить аппарат с наиболее низким коэффициентом теплопередачи. Таким АВО является «Пейя», к тому же этот аппарат импортного производства, а следовательно, заведомо дороже.

Итак, рассматриваем следующие АВО: АВЗ₂-5300, 2АВГ-75С, «Крезо-Луар», «Хадсан-Итальяно».

В качестве примера приведем тепловой и гидравлический расчет аппаратов воздушного охлаждения типа «Хадсан-Итальяно», которые являются наиболее оптимальными для данной КС (по результатам сравнительного расчета и анализа).

По номинальной производительности аппаратов и известной производительности КС определяется потребное количество АВО m каждого типа и рассчитывается требуемые производительности одного аппарата каждого типа по теплоотводу Q₁ и по газу М₁:

, шт. (4.7) шт.;

Принимаем m = 9.

, Дж/с; (4.8)

Дж/с.

, кг/с; (4.9)

кг/с.

4.2.3 Проверка принятого количества АВО по температуре охлаждающего воздуха.

(4.10)

где - температура воздуха на выходе АВО, ºС;

- температура воздуха на входе в АВО, ºС;

- общий объемный расход воздуха, подаваемого всеми вентиляторами одного АВО, м³/с;

- плотность воздуха на входе в АВО, кг/м³;

- теплоемкость воздуха при барометрическом давлении Р_а и , Дж/(кг·К);

, кг/м³; (4.11)

кг/м³;

ºС.

Предварительно принятое количество АВО остается в силе при < . Данное условие соблюдается, т.к. 7,74 < 42,12 ºС.

4.2.4 Проверка принятого количества АВО по поверхности теплопередачи одного АВО.

; (4.12)

где F_p - расчетная (требуемая) поверхность теплопередачи одного аппарата, м²;

F - фактическая поверхность теплопередачи (для данного типа АВО), увеличенная на 10% с учетом возможного выхода из строя отдельных вентиляторов и загрязнения поверхностей теплообмена, м²;

∆F - допустимое расхождение между F_p и F, принимаемое равным 5% от F, м².

, м²; (4.13)

где K_p - коэффициент теплопередачи, принимаемый по приложению 11 [4].

; (4.14)

; (4.15)

; (4.16)

где i - число ходов газа в аппарате;

ε_∆1 - поправка, определяемая по приложению 15 [2] в зависимости от параметров R и Р;

; (4.17)

; (4.18)

.

;

м².

Проверка условия (4.12):

м²;

м²;

3,3 < 332,35

Условие выполняется, следовательно, по поверхности теплопередачи данный АВО подходит. Если условие не соблюдается, то расчет повторяется с изменением t₂ либо количества АВО.

4.2.5 Расчет гидравлического сопротивления АВО по ходу газа (движение газа в зоне квадратичного закона сопротивления).

; (4.19)

где ∆P - гидравлическое сопротивление АВО по ходу газа, МПа;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений АВО по ходу газа, приводимая в технической характеристике аппарата;

ω - средняя скорость газа в трубах АВО, м/с;

, м/c; (4.20)

где ρ - плотность газа при давлении на входе в АВО и средней температуре газа в АВО, кг/м³;

S - площадь сечения одного хода труб АВО со стороны газа, м²;

, м²; (4.21)

где d - внутренний диаметр труб, м;

n_m - общее число труб в аппарате;

∆ - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб (в расчетах принимается 2·10⁴ м), м;

l - длина труб АВО, м.

м² ;

м/с;

МПа.

Полученное значение должно удовлетворять условию:

.

где Р_доп - допустимые потери давления в АВО по ходу газа равные 0,015…0,02 МПа.

0,0234 ≤ 1,2·0,02 = 0,024.

Условие выполняется, следовательно, данный АВО подходит.

4.2.6 Определение энергетического коэффициента.

Энергетический коэффициент используется для сравнения эффективности работы теплообменной аппаратуры и представляет собой отношение количества переданного тепла к затратам энергии на преодоление гидравлических сопротивлений теплообменника.

; (4.22)

где Е - энергетический коэффициент;

N- мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений со стороны поверхности теплопередачи, Вт;

Н- полный напор, развиваемый вентиляторами АВО, Па.

.

4.2.7 Выбор оптимального типа и количества АВО.

Основным критерием оптимальности в данном случае является минимум приведенных затрат по установке охлаждения газа.

При отсутствии экономических данных по АВО за критерии оптимальности для ориентировочной оценки могут быть приняты энергетический коэффициент Е и металловложения в установку АВО G.

Аналогичным образом по вышеизложенной методике произведем тепловой и гидравлический расчет АВО типа АВЗ₂ – 5300,2АВГ-75С, «Крезо-Луар». Результаты расчета приведем в таблице 3.

Количество АВО скорректировано по рабочей площади теплопередачи.

В результате расчета было установлено, что при принятой t₂ и с учетом изменения количество аппаратов АВО 2АВН-75С не подходит по условию . Кроме того, среди рассматриваемых АВО данный аппарат имеет самый низкий коэффициент теплопередачи, следовательно, его можно исключить из дальнейшего расчета без возможной корректировки t₂

Таблица 3

Исходные Данные	Единица Измерения	Тип АВО
		АВЗ2-5300	2АВГ-75С	«Крезо-Луар»	«Хадсан-Итальяно»
МАВО	кг/с	28,89	54,44	54,44	54,69
МКС	кг/с	436,44
m (округл.)	шт.	13	9	8	9
	кг/с	40,57	57,6	54,56	51,28
	Дж/с	2997940	4330358	4031330	3863402,38
	°С	17,7	10,6	14,7	7,74
Проверка условия - выполняются.
R	-	1,8	3,47	2,25	5,6
P	-	0,382	0,198	0,305	0,178
	-	0,88	0,9	0,91	0,99
	-	0,91	0,9	0,91	0,99
	-	17,35	20,1	18,52	21,34
	-	15,79	18,09	16,86	21,1266
1,1F	м2	5830	10923	10259,7	7311,7
Kр	Вт/(м2·К)	32	23	29	25
	м2	5934	10408	9965	7315
	м2	265	496,5	466,35	411,3
	м2	104	515	295	3,3
Проверка условия - для АВО 2АВГ-75С не выполняется
S	м2	0,1771	-	0,1948	0,205
ω	м/с	4,148	-	6,129	4,52
	МПа	0,0081	-	0,0232	0,0234
Проверка условия - выполняется
E	-	260,08	-	159,16	147,23
G	т	559	-	296	264

Оптимальный тип и количество АВО выбираем по максимальному энергетическому коэффициенту и минимальным металловложениям в установку. Как видно из табл.3 максимальный энергетический коэффициент имеет АВО АВЗ₂-5300, а минимальные металловложения имеет АВО «Хадсан-Итальяно». При отсутствии данных по стоимости ОВА можно руководствоваться тем, что металлоемкость АВЗ₂-5300 превышает металлоемкость «Хадсан-Итальяно» на более значительную величину, чем энергетический коэффициент (в относительном выражении). Следовательно, по минимальной металлоемкости принимаем 9 АВО типа «Хадсан-Итальяно».