Модернизация компрессорной станции с применением теплообменника-регенератора

Введение
В настоящее время человечество потребляет больше всего ресурсов, чем когда-либо. Поэтому во всём мире важным объектом изучения стали вопросы ресурсосбережения и энергетики. Ограниченность ресурсов с одной стороны заставляет искать альтернативные источники энергии, а с другой максимально рационально использовать уже имеющиеся. Поэтому сырьевые и энергетический предприятия ведут политику по снижению энергии на самообеспечение, вдобавок ужесточение экологических требований заставляет компании вкладывать средства во внедрение более экологически чистого производства.
Проблема энергоэффективности не обошла газовый сектор стороной. Актуальным является вопросы повышения эффективности перекачки газа потребителям и снижение его расходов на собственные нужды.
В ходе эксплуатации магистрального газопровода основным потребителем газа является компрессорная станция, так как именно тут расположена газоперекачивающий агрегат, которому необходимо сообщить энергию для работы компрессора.
…

1 Общая часть
1.1 Общая информация об объекте модернизации
Газ с месторождений шельфа Сахалина для своей дальнейшей транспортировки сначала поступает на головную компрессорную станцию (ГКС) «Сахалин» (см. рисунок 1), которая находится примерно на расстоянии более 11 км от ближайшего населённого пункта – села Вал. Эту компрессорную станцию можно считать за отправную точку магистрального газопровода «Сахалин – Хабаровск – Владивосток».

Рисунок 1 – Головная компрессорная станция «Сахалин» [49]
Данная газотранспортная система была введена в эксплуатацию в 2011 году и позволила снабдить газом Хабаровский и Приморский край, а также это предоставило условия для поставок природного газа в страны Азиатско-Тихоокеанского региона, сам Владивосток имеет потенциал перевалочного пункта [48]. Этот проект послужил неплохим толчком для экономического развития Дальнего Востока.
Общая протяжённость трассы составляет более 1800 км, а рабочее давление находится на отметке 9,8 МПа.
…

1.2 Сведения о местности, где располагается объект
Головная компрессорная станция «Сахалин» находится примерно в 11 км от села Вал Ногликского района Сахалинской области с населением более 800 человек согласно статистики за 2013 год (см рисунок 2) и на расстоянии более чем 70 км до посёлка городского типа Ноглики с населением более 10 тысяч человек.
Объект располагается на северо-восточном побережье острова Сахалин. Данная местность относится к районам крайнего севера. Средняя месячная температура воздуха в городе Ноглики, который является центром Ногликского городского округа, представлена в таблице 1.1 [15].

Рисунок 2 – Географическое положение ГКС «Сахалин» и ближайшего населённого пункта [55]
Откуда можно сделать вывод, что отрицательные температуры пребывают на этой территории семь месяцев в году.
Таблица 1.1 – Средняя месячная температура воздуха и средняя влажность в городе Ноглики за 2018 год
Месяц
Янв.
Фев.
Март
Апр.
Май
Июнь
Июль
Авг.
Сент.
Окт.
Ноябрь
Дек.
…

1.3 Актуальность утилизации тепла уходящих газов
Повышение эффективности использования топлива — одна из важнейших задач энергетики. Глобальное мировое потепление атмосферы, истощение запасов жидкого и газообразного топлива делают ее еще более актуальной [40].
В настоящее время различные отрасли экономики Российской Федерации потребляют в виде теплоты примерно 70 – 80% всей расходуемой энергии. Основных потребителей теплоты без ее превращения в другие виды энергии можно отнести к двум основным категориям: потребление теплоты для коммунально-бытовых нужд (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение) и потребление теплоты для технологических нужд. Первая категория в масштабе экономики страны является преобладающей. В настоящее время на долю коммунально-бытовых нужд приходится около 70%, а на долю технологических нужд — только 30% [20].
Конкуренция на внутреннем и внешнем рынках заставляет предприятия искать пути снижения издержек производства.
…

1.4 Вариант модернизации ГКС «Сахалин»
Запрос на модернизацию компрессорных станций с каждым годом будет всё актуальней. Это связано с тем, что потребление энергии в России и мире увеличивается быстрыми темпами, а это значит, что растёт и стоимость энергии. Компании, занимающиеся транспортировкой углеводородов, будут стремиться снизить энергозатраты на эксплуатацию сырья и собственные нужды. При этом экологические нормы из года в год только ужесточаются.
Вопрос модернизации компрессорной станции требует индивидуального подхода к каждому из объектов, так как данная процедура в конечном итоге должна приносить максимальную выгоду организации. Следует отталкиваться от множества факторов: климатических условий, географического положения, рельефа местности, близости населённых пунктов, характеристик самой КС.
Из того, что было приведено ранее известно:
1) ГКС «Сахалин» располагается в северо-восточной части острова Сахалин, что относится к крайнему северу.
…

2.1 Состав оборудования на рассматриваемом объекте
С момента введения в эксплуатацию на головной компрессорной станции «Сахалин» для перекачки газа от месторождений сахалинского шельфа по магистральному трубопроводу было решено установить два газоперекачивающие агрегаты ГПА-16М-10 «Урал». Данное оборудование производится на предприятии ООО «Иска-Турбогаз». В качестве привода на этом агрегате используется ГТУ-16П (ПС-90ГП-2), изготовлением которых занимается ОАО «Пермский моторный завод» с системой маслоснабжения, также в ГПА на этой компрессорной станции встроен центробежный компрессор НЦ-16ДКС/100 «Урал» с магнитными подвесами, производящийся на ОАО «НПО «Искра», а для контроля работы агрегата используется система автоматического управления АСУ ТП-САУ ГПА МСКУ-5000-01-15-03, произведенная «НПФ «Система-Сервис».
2.2 Агрегат газоперекачивающий ГПА-16 «Урал»
Агрегаты данного типа предназначены для линейных, дожимных КС, а также подземных хранилищ газа.
…

2.3 Установка газотурбинная промышленная ГТУ-16П
При создании данной установки за основу были взяты высокоэффективный авиадвигатель ПС-90А и газотурбинная установка ГТУ-12П. Имеет более высокие параметры цикла благодаря применению 14-ступенчатого компрессора и наличия силовой турбины [36]. ГТУ-16П часто устанавливаются на российских КС в результате своей высокой надёжности
Серийным производителем установки для рассматриваемой ГКС является АО «ОДК-Пермские моторы». Отличительными качествами пермских ГТУ считаются:
– высокий КПД;
– низкий расход масла;
– полная автоматизация технологических процессов;
– простота управления и обслуживания;
– полная заводская готовность, предоставляющая мгновенный ввод в эксплуатацию при низких вложениях;
– приемлемые экологические показатели.
Основные производственные характеристики ГТУ, изготавливаемой на АО «ОДК-Пермские моторы», представлены в таблице 2.2 [53].
Таблица 2.
…

2.5 Система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом АСУ ТП-САУ ГПА МСКУ-5000-01
Система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом (САУ ГПА) представляет собой законченный аппаратно-программный автономно функционирующий комплекс, обеспечивающий выполнение всех необходимых функций по контролю, управлению и регулированию отдельного ГПА:
1. Пуск, остановка, управление газотурбинным (электрическим) двигателем на всех режимах работы;
2. Обеспечение защиты двигателя, компрессора и другого оборудования ГПА, автоматический аварийный останов при нарушении условий штатной работы;
3. Автоматическое топливное регулирование газотурбинным двигателем на всех режимах работы;
4. Автоматическое управление и контроль вспомогательным технологическим оборудованием ГПА;
5. Дистанционное управление отдельными исполнительными механизмами по командам с пульта управления;
6. Антипомпажное регулирование;
7.
…

3.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов
Поскольку температура и давление связаны через уравнение состояния, в системе магистрального транспорта в процессе перекачки имеют место изменения температуры газа. Поэтому, теплообменные аппараты занимают далеко не последнее место в комплексе оборудования системы магистрального транспорта природного газа [23].
Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором происходит обмен тепловой энергией между греющей и нагреваемой средами. Рабочие среды называют теплоносителями, в качестве которых могут использоваться пары различных веществ, газы, жидкости и жидкие металлы.
При выборе теплоносителей стоит отталкиваться от их термодинамических и физических свойств, технико-экономических показателей теплообменников. Поэтому наиболее распространены в качестве первичных теплоносителей водяной пар, горячая вода, воздух, дымовые газы [36].
…

3.2 Основные проблемы эксплуатации теплообменников
В процессе работы теплообменников на внутренней и наружной поверхностях могут образовываться отложения, ухудшающие показатели тепловой эффективности аппаратов. Тип и характеристики загрязнений зависят от вида и состава теплоносителя, его скорости, давления и температуры, содержания в нем загрязняющих веществ, а также от шероховатости стенки трубок и материала, из которого изготовлены трубки [21].
С ростом энергетических мощностей и объема производства все более увеличиваются масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов. На их изготовление расходуется немало средств и материалов. Многие инженеры, разрабатывающие теплообменное оборудование, озабочены проблемой снижения размеров и массы теплообменников и повышения эффективности их работы.
Усложняется и конструкция теплообменников. Для интенсификации процесса в теплообменных аппаратах используются все более сложные схемы.
…

3.3 Теплообменники регенеративного типа
В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность теплообмена попеременно омываются то одним, то другим теплоносителем. В период нагрева, т.е. при проходе горючего теплоносителя, стенки теплообменника и набивка в виде шаров, колец и т.п. нагреваются, в них аккумулируется тепло, которое в период охлаждения отдается протекающему вторичному теплоносителю. Направление потока тепла в стенках периодически меняется – это аппараты периодического действия [23]. То есть имеет место циклическая регенерация тепловой энергии поверхности теплообмена. В данных аппаратах оба теплоносителя являются газообразными.
Область применения и температурный уровень теплоносителей предопределяет конструкцию регенеративного ТА и тип его насадки. Выделяют аппараты, работающие в области высоких, средних и очень низких температур. По принципу действия регенеративные аппараты могут быть с подвижной и неподвижной насадкой [19].
3.3.
…

3.3.1 Теплообменники регенеративного типа с неподвижной насадкой
Регенеративные теплообменники с неподвижными насадками обычно состоят из двух аппаратов, корпуса которых заполняют насадкой (см рисунок 4). В качестве насадок обычно применяют: огнеупорный кирпич, металл различного профиля (пластины, листы, шары). Эта насадка попеременно нагревается при соприкосновении с горячим теплоносителем, затем, соприкасаясь с холодным теплоносителем, отдает ему свою теплоту.
В период нагрева насадки через аппарат 1 пропускают горячий газ, который охлаждается и поступает на дальнейшую переработку, а через другой аппарат 2 – холодный газ, отнимающий теплоту у насадки, разогретый в предыдущем цикле. Каждый цикл, таким образом, состоит из двух периодов: разогрева насадки и её охлаждения. Переключение аппаратов после каждого периода нагревания и охлаждения, длящегося обычно по нескольку минут, происходит автоматически с помощью клапанов 3 и 4.
…

3.3.2 Теплообменники регенеративного типа с подвижной насадкой
Регенеративные теплообменники с подвижной насадкой представлен в виде одного корпуса, внутри которого на валу вращается насадка, в это время в противоположных направлениях поступают одновременно два теплоносителя (см. рисунок 5) [34].

Рисунок 5 – Регенеративный теплообменник с подвижной насадкой [34].
I, II-теплоносители, 1-вал аппарата, 2-насадка, 3-корпус аппарата.
В регенераторах с подвижной насадкой в качестве насадки, образующей поверхность теплообмена, используются штампованные по разному профилю стальные (или из другого металла) листы, чугунные и стальные шары, сыпучая насадка в виде дроби, прочные керамические зерна размером от 1 до 8 мм. Ротор состоит из 24 секторов, через 13 секторов проходят дымовые газы, через 9 – нагреваемый воздух, а 2 сектора перекрываются уплотнительными плитами, препятствующими перетечками и перемешиванию теплоносителей [27].
…

3.4.1 Рекуперативные теплообменники кожухотрубные
Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет собой пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются в трубных решетках путём развальцовки, сварки или пайки. Межтрубное и трубное пространство разделяются. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают тpyбы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. На кожухе имеются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. K кожуху теплообменного аппарата c помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства [23].
…

3.4.2 Рекуперативные теплообменники пластинчатого типа
Среди рекуперативных теплообменных аппаратов наиболее распространены пластинчатые теплообменники (ПТО). Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали. К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал. Их можно разделить на следующие типы:
– гладкопластинчатые теплообменники;
– пластинчато-ребристые теплообменники;
– спиральные теплообменники.
Независимо от типа конструкции ПТО, можно выделить ряд общих преимуществ по сравнению с другими видами аппаратов.
1. Компактность – важная характеристика при компановке оборудования. Габариты ПТО намного меньше, чем кожухотрубного.
2. Высокий коэффициент теплопередачи позволяет достичь более компактных размеров.
…

3.5 Сравнение регенеративного и рекуперативного теплообменных аппаратов
В качестве сравнения теплообменников регенеративного и рекуперативного типа в цикле ГТУ рассмотрим типы теплообменников, которые наиболее подходят для внедрения в эту отрасль или уже внедрены. Поэтому в качестве регенеративного теплообменника будет рассмотрен теплообменник с подвижной насадкой, а в качестве рекуперативного – пластинчатый. Далее будут рассмотрены преимущества и недостатки каждого из этого типа по определённым критериям.
1. Дополнительные энергозатраты. В теплообменниках, включённых в цикл ГТУ, движение основных теплоносителей обеспечивается цикловым компрессором, а его приводом служит турбина ГТУ. Следовательно, внедрение любого теплообменника снижает КПД и мощность ГТУ. Но пластинчатый ТО, в отличии от регенератора с подвижной насадкой, не требует дополнительной энергии на раскрутку вала, только на преодоление гидравлического сопротивления теплоносителя [22].
…

4 Расчётная часть
Для того, чтобы подобрать необходимое оборудование и определить эффективность модернизации следует провести ряд расчётов, направленных на определение расхода сетевой воды, температуры уходящих газов на выходе из ТО, а также рассчитать напор в проводимом водопроводе, чтобы подобрать насосное оборудование.
По результатам расчётов нужно выяснить, хватит ли тепловой энергии от агрегата для горячего водоснабжения села Вал, тепличного хозяйства и самой КС.
Исходные данные для расчета представлены в таблице 4.1. Сам расчёт будет произведён опираясь на учебные пособия [24], [25], [26], [33], [39].
Таблица 4.
…

4.2 Расчёт параметров теплоносителей в водоподогревателе после регенератора 35
4.3 Расчёт параметров и подбор пластинчатого водоподогревателя 36
4.4 Подбор насоса для перекачки горячей воды 36
5 Промышленная и экологическая безопасность 38
5.1.1 Процес эксплуатации ГПА на компрессорных станциях. 39
5.1.2 Предупреждение неустойчивой работы, предаварийной ситуации центробежных нагнетателей. 39
5.1.3 Предупреждение неустойчивой работы, предаварийной ситуации осевых компрессоров. 40
5.2 Экологическая безопасность 41
5.3 Пожарная безопасность 42
5.4 Расчет защитного заземления электросварочного агрегата 43
6 Экономическая часть 47
6.1 Технико-экономическое обоснование 47
6.2 Эксплуатационные затраты 47
6.2.1 Материальные затраты 48
6.2.2 Затраты на оплату труда 48
6.2.3 Амортизационные отчисления и текущий ремонт 49
6.2.4 Прочие затраты 50
6.3 Оценка экономической эффективности 50
6.3.1 Прибыль 50
6.6.2 Чистый дисконтированный доход проекта 51
6.6.
…

4.1.1 Определение максимальной теплоты уходящих газов
Перед тем, как разрабатывать проект по утилизации тепла уходящих газов, необходимо выяснить, достаточное ли там количество тепловой энергии, чтобы её хватало на собственные нужды, отопление близлежащего села Вал, а также поддержания тепла в проектируемом тепличном хозяйстве.
Максимальная тепловая энергия рассчитывается по формуле 4.1:

(4.1)
где – массовый расход уходящих газов, кг/с;
– средняя удельная изобарная теплоемкость уходящих газов при температуре , Дж/(кг°С);
– температура уходящих газов на входе в теплообменник, °С;
– температура уходящих газов на выходе из теплообменника, при которой теплоноситель отдаст максимальное значение тепла,           = 200 °С.
Тогда:

Количество теплоты, которое нужно на снабжение теплом села, тепличного хозяйства и самой КС указано в таблице 4.2.
Таблица 4.
…