ПОДОГРЕВАТЕЛИ ГАЗА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

Н. М. Соловьёва, главный специалист по нефтегазовому оборудованию
П. В. Хворостян, инженер-конструктор 2 категории

В составе технологического оборудования газораспределительных станций (ГРС), компрессорных станций (КС) присутствуют подогреватели, предназначенные для подогрева газа перед дросселированием.

При понижении давления газа происходит понижение его температуры (эффект Джоуля-Томсона). При этом возникает нестабильная работа регуляторов давления газа, узлов учёта, арматуры, загидрачивание газопроводов.

Для борьбы с этими негативными явлениями широко применяются подогреватели газа с промежуточным теплоносителем.
Наибольшее применение получил подогреватель газа типа ГПМ-ПТПГ-30М, основные технические данные которого представлены в таблице 1.

Таблица 1

Конструктивно подогреватель представляет собой горизонтальный цилиндрический корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем. В нижней части корпуса располагается теплогенертор, состоящий из жаровой трубы, соединённой пучком дымогарных труб с поворотным коробом, в свою очередь сообщающимся с дымовой трубой. Жаровая труба оснащена горелочным устройством. В верхней части корпуса расположен теплообменник.

Работа подогревателя осуществляется следующим образом:

В горелочных устройствах сжигается энергоноситель. Образовавшиеся продукты сгорания проходят последовательно жаровую трубу и дымогарные трубы, где передают своё тепло промежуточному теплоносителю, после чего эвакуируются через дымовые трубы. Нагревшийся промежуточный теплоноситель передаёт тепло подогреваемому газу через стенки труб теплообменника.

Выполненным анализом фактических данных работы подогревателей газа на действующих ГРС и КС в различных регионах России установлено:

1. Разность температур входа-выхода подогреваемого газа не соответствовала проектным значениям, равным 70 °С. Температура поддерживалась равной значениям, необходимым для компенсации потерь тепла при редуцировании газа и в подавляющем числе случаев составляла не более 25 °С. Соответственно, номинальная теплопроизводительность подогревателя использовалась не более, чем на 30—40%.
2. Производительность по подогреваемому газу колебалась от 2 000 нм³/ч до 30 000 нм³/ч. Однако, даже при производительности 30 000 нм³/ч, нагрев газа производился не более, чем на 25 °С, следовательно, невостребованной оставалась также более половины номинальной теплопроизводительности.
3. На подогревателях, работающих на низких нагрузках, наблюдалось обильное выпадение конденсата, подогреватели работали на запальнике, с выключенной основной горелкой, что является нарушением правил промышленной безопасности.

Кроме того, работа газовых горелок на низких режимах, ниже паспортных в 10—15 раз, приводила к нестабильной работе горелок, пульсации факела, большой потере тепла от химической неполноты сгорания. Учитывая эти факторы, ГОСТ 21204-97 «Горелки газовые промышленные» предусматривает защитное отключение горелок при отклонении давления газа перед ними на 30% ниже или выше номинального значения, что при эксплуатации подогревателей не выдерживается.

Причинами, объясняющими сложившуюся ситуацию, на наш взгляд, являются:

1. Основным параметром работы ГРС, КС является их пропускная способность. Соответственно, проектными организациями при подборе подогревателей газа для использования в составе ГРС, КС, за основу принимается соответствие их пропускной способности параметрам ГРС, КС. При этом, теплопроизводительность подогревателя при работе в реальных условиях, как правило, не проверялась, при подборе оборудования не учитывалась.
2. Фактическая загрузка ГРС намного ниже проектной. Технические условия на проектирование объектов выдавались с учётом перспективы роста потребления газа, что в условиях экономического спада не выполнялось. Сезонные, суточные колебания производительности приводили к тому, что фактическая производительность ГРС составляла не более 40—50% от проектных значений.
3. Длительное время основным, а практически единственным подогревателем газа являлся по догреватель производительностью 30 000 нм³/ч, который применялся практически на всех необхо димых режимах. Только в последние два года нашим предприятием поставлены на серийное производство подогреватели газа ГПМ-ПТПГ-5, ГПМ-ПТПГ-10, ГПМ-ПТПГ-15М, производительностью соответственно, 5 000 нм³/ч, 10 000 нм³/ч, 15 000 нм³/ч.

Специалистами завода «Газпроммаш» выполнены расчёты, характеризующие работу подогревателей газа типа ПТПГ-30М во всём диапазоне эксплуатационных нагрузок.

Расчётами установлено следующее.

1. Дымовые газы, образующиеся в результате сгорания природного газа по ГОСТ 5542, конденсируются при температуре (точке росы), равной 55-60 °С, которая, в свою очередь, зависит от коэффициента избытка воздуха при работе горелок.

В результате режимной наладки горелки подогревателей настраи-ваются на работу с избытком воздуха 1,1, соответственно, температураточки росы в дальнейших расчётах принимается равной 60 °С.

Учитывая, что для стабильной работы подогревателя (исключения зависимости от погодных условий) температура уходящих дымовых газов должна быть выше точки росы на 10 °С, в дальнейшем считаем, что для исключения выпадения конденсата температура дымовых газов в пределах подогревателя не должна быть ниже 70 °С.

2. В таблице 2, а также на графиках 1, 2 приведёны результаты тепловых расчётов по догревателя газа ГПМ-ПТПГ-30М для производительностей по подогреваемому газу в диапазоне 1 000—30 000 нм³/ч при коэффициенте избытка воздуха на горелке, равном 1,1.

Таблица 2

Видно, что при производительности до 3 000 нм³/ч выделение конденсата происходит в дымогарных трубах, причем, до 1 000 нм³/ч конденсат выделяется даже в жаровой трубе.

При производительности от 4 000 до 6 000 нм³/ч выделение конденсата происходит на входе в дымовую трубу и непосредственно в ней.
Объём выделяющегося конденсата не менее 4,8 кг/ч. На режимах от 1 000 до 5 000 нм³/ч расход топливного газа равен от 2 до 8 нм³/ч. Номинальный расход топливного газа на запальную горелку составляет 7 нм³/ч. Следовательно, до режима 5 000 нм³/ч подогреватель работает при выключенной основной горелке, исключительно на запальнике. Нижний предел производительности запальной горелки, при котором сохраняется её устойчивая работа, в соответствии с требованиями ГОСТ 21204, составляет 5,0 нм³/ч.

На режимах от 5 000 до 7 000 нм³/ч выделение конденсата происходит в дымовой трубе, максимальное его количество равно 17,6 кг/ч.

На этих режимах требуется работа основной горелки, которая включается, однако, работает также в недопустимом по ГОСТ 21204 режиме.

График 1. Зависимость температуры дымовых газов от объема подогреваемого газа при Δt=30 °С для подогревателя газа ГПМ-ПТПГ-30М

На режиме от 7 000 нм³/ч до 12 500 нм³/ч (разность температур входа — выхода подогреваемого газа 30 °С, коэффициент избытка воздуха 1,1) подогреватель работает с включёнными основной и запальной горелками, без выделения конденсата, однако, основная горелка продолжает работать в не допустимом по ГОСТ 21204 режиме.

Специалистами завода «Газпроммаш» проведена большая работа, направленная на расширение диапазона производительностей, в котором обеспечивается стабильная устойчивая работа горелки подогревателя. Нижнее значение этого диапазона составляет 25 м³/ч. Соответственно, использование этих горелок позволяет обеспечить надёжную работу подогревателя в диапазоне производительностей от 15 000 до 30 000 нм³/ч даже в случае перепада температур входа-выхода газа из подогревателя 30 °С.

График 2. Зависимость расхода топливного газа от объема подогреваемого газа при Δt=30 °С для подогревателя газаГПМ-ПТПГ-30М

Подогреватели газа различных производителей разработаны на одинаковые технические требования (тепловая мощность 1,0 МВт).

Фактические показатели работы подогревателей в составе ГРС, КС требуют не более 40% имеющейся тепловой мощности. Соответственно, практически все подогреватели работают с изложенными выше недостатками.

Некоторые производители для улучшения работы подогревателей на низких режимах исполь зуют дискретное регулирование (автоматическое включение-выключение основной горелки при непрерывной работе запальной горелки).

Однако, самые неблагоприятные режимы присутствуют при режимах до 5 000 нм³/ч, для обеспечения которых достаточно работы одной запальной горелки.
Следовательно, все негативные явления сохраняются.

Другие производители в стремлении улучшить работу подогревателя на низких режимах, при введении дискретного регулирования исключают работу как основной, так и запальной горелок, чем достигают ожидаемый эффект. Однако при этом нарушаются правила промышленной безопасности ПБ 12-529-03, которыми предписывается обязательное оснащение горелок мощностью свыше 0,4 МВт запальной горелкой, обеспечивающей факел у основной горелки в режиме розжига, а также на всех режимах работы подогревателя.

ВЫВОДЫ:

1. Оптимальный режим работы подогревателей газа ПТПГ-30М находится в диапазоне производительностей по подогреваемому газу от 15 000 до 30 000 нм³/ч и тепловой мощности не менее 50% от номинальной. При меньшей требуемой теплопроизводительности следует применять подогреватели газа ГПМ-ПТПГ-5, ГПМ-ПТПГ-10, ГПМ-ПТПГ-15М.

2. При работах по модернизации, либо разработке новых современных конструкций подогревателей, предназначенных для замены широко распространённых подогревателей производительностью 30 000 нм³/ч, следует ориентироваться на реально необходимые исходные технические данные:

• производительность по подогреваемому газу — не более 25 000 нм³/ч;
• разность температур на входе — выходе из подогревателя не более 45 °С;
• теплопроизводительность подогревателя 0,5 Гкал/ч.

Первый подогреватель газа производства завода «Газпроммаш» на объекте. г. Балашов

Приемочные испытания подогревателя газа ГПМ-ПТПГ-30М в условиях компрессорной станции. г. Сызрань