Оптимизация конструкции подогревателя газа с промежуточным теплоносителем
А.Г. Маслин, начальник КБ НГО
П.В. Хворостян, инженер-конструктор 1 категории КБ НГО
Анализируя работу подогревателей газа с промежуточным тепло- носителем ГПМ-ПТПГ-30М на действующих ГРС и КС, в различных регионах России, специалисты ООО Завод «Газпроммаш» отмечают следующее:
- разность температур подогреваемого газа на входе-выходе подогревателя в подавляющем большинстве случаев, далека от номинального значения 70oС и зачастую составляет не более 25 — 30oС (в некоторых случаях 40 — 45oС);
- расход подогреваемого газа колеблется в пределах от 3000 до 30000 нм3/ч; реальная теплопроизводительность, с учетом фактических величин разности температур и расхода подогреваемого газа составляет от 3 до 50 % от номинальной тепловой мощности подогревателя.
В связи с вышеизложенным, можно констатировать, что подогреватели газа очень часто работают в неблагоприятных условиях, в режимах отличных от номинального. При этом наблюдается обильное выделение конденсата из дымовых газов, нарушается работа горелки и, как следствие, увеличиваются потери тепла из-за химической неполноты сгорания, происходит закоксовывание поверхностей нагрева сажистыми отложениями, что приводит к перерасходу газа на собственные нужды. В таких условиях требуется повышенный контроль за работой подогревателя со стороны обслуживающего персонала и регулярная чистка дымогарных труб.
Более подробно данный вопрос освещен в статье «Подогреватели газа с промежуточным теплоносителем. Опыт применения» [1].
С учетом реальных режимов работы подогревателей газа на ГРС и КС, в соответствии с планом перспективного развития, специалистами завода «Газпроммаш» разработан и изготовлен опытный образец подогревателя газа ГПМ-ПТПГ-30К (рисунок 1), который в перспективе должен заменить широко известные подогреватели газа ГПМ-ПТПГ-30М. Основные ожидаемые технические характеристики в сравнении с характеристиками подогревателя ГПМ-ПТПГ-30М приведены в таблице.
| Наименование показателя | Значение | |
|---|---|---|
| ГПМ-ПТПГ-30К | ГПМ-ПТПГ-30М | |
|
1. Производительность по подогреваемому газу, нм3/ч
|
30000 25000 3000 |
30000 - 7500 |
|
2. Рабочее давление подогреваемого газа, МПа (кгс/см2)
|
7,5 (75) 5,0 (50) 2,5 (25) |
7,5 (75) - - |
|
3. Тепловая мощность при производительности, МВт (Гкал/ч)
|
0,65 (0,56) 0,54 (0,47) 0,065 (0,056) |
1,08 (0,93) - - |
| 4. Нагреваемая среда | Природный газ по ОСТ 51.40-93 | |
|
5. Температура подогреваемого газа, К(oС)
|
253 (минус 20) 343 (70) 278 (5) 323 (50) |
253 (минус 20) 343 (70) - - |
| 6. Перепад температур на входе и выходе из подогревателя в номинальном режиме, oС | 45 | 70 |
| 7. Топливо | Природный газ по ГОСТ 5542-87 | |
|
8. Расход топливного газа, нм3/ч, не более при производительности
|
85 65 8 |
110 - - |
| 9. Коэффициент полезного действия при номинальной производительности,%, не менее | 87 | 82 |
| 10. Масса подогревателя (без промежуточного теплоносителя), кг., не более | 7800 | 10600 |
| 11. Габаритные размеры подогревателя без дымовой трубы, (длина×ширина×высота), мм., не более | 6700×2100×2400 | 6700×2550×2800 |
Рисунок 1 - Подогреватель газа ГПМ-ПТПГ-30К
Основными целями разработки явились:
1. Повышение КПД и, как следствие, снижение расхода газа на собственные нужды (что особенно актуально в связи с постоянным ростом цен на энергоносители).
2. Расширение диапазона производительностей по подогреваемому газу.
3. Увеличение надежности и срока службы до 20 лет.
4. Уменьшение габаритных размеров и массы по сравнению с аналогами.
5. Повышение технологичности изготовления основных частей подогревателя.
6. Снижение потерь давления в теплообменнике подогреваемого газа.
Основным конструктивным отличием является наличие двух независимых инжекционных горелок, а также исполнение теплогенератора с разделением потоков продуктов сгорания от каждой горелки вплоть до поворотного короба перед дымовой трубой (рисунок 2).
Рисунок 2 - Теплогенератор подогревателя газа ГПМ-ПТПГ-30К
Конструкция подогревателя с двумя независимыми инжекционными горелками имеет ряд преимуществ:
1. За счет снижения единичной мощности горелочных устройств расширяется диапазон производительностей по подогреваемому газу;
2. Повышается точность регулирования температуры подогреваемого газа с увеличением количества ступеней регулирования. При двухступенчатом регулировании каждой из горелок, суммарное число ступеней для двухгорелочного режима равно четырем;
3. Более гибкая система регулирования позволяет также сократить количество операций переключения исполнительных устройств.
Для интенсификации теплообмена в жаровых трубах имеются сквозные патрубки для теплоносителя, установленные наклонно, причём нижние концы патрубков отодвинуты к нижним противолежащим сторонам корпуса, где слой теплоносителя имеет меньшую температуру по отношению к остальной массе теплоносителя, находящегося в корпусе подогревателя. При данной геометрии в патрубках происходит пузырьковое кипение промежуточного теплоносителя, наиболее эффективное с точки зрения теплопередачи. Процесс кипения, нежелательный для водогрейных отопительных жаротрубных котлов по причине возможного отложения солей жесткости на жаровой и дымогарных трубах, приводящий к их пережогу, в подогревателях не вызывает негативных последствий, в связи с использованием теплоносителя постоянного состава и отсутствием непрерывной подпитки неподготовленной водой. Интенсивный теплообмен и направленное движение теплоносителя исключают образование застойных зон в корпусе подогревателя и увеличивают скорость циркуляции.
Жаровые трубы и пучки дымогарных труб объединены общим фланцем, с помощью которого теплогенератор крепится в корпусе подогревателя. Для облегчения демонтажа теплогенератор установлен на роликовые опоры.
Кроме тракта дымовых газов, изменена также конструкция теплообменника подогрева газа.
Применявшаяся ранее в подогревателях газа с промежуточным теплоносителем конструкция теплообменника (рисунок 3), в котором продуктовая камера объединяет в одном объёме, разделённом перегородкой, штуцеры входа — выхода газа, имеет ряд недостатков:
1. Отсутствуют стандартные детали для изготовления камеры из-за большого диаметра и толщины фланцевых соединений. Это вынуждает прибегать к трудоемким и дорогостоящим работам по изготовлению фланцев камеры из поковок;
2. Данная конструкция имеет значительное гидравлическое сопротивление, ввиду того, что имеются три внезапных расширения и сужения потока;
3. Применение фланцевого соединения большого диаметра повышает вероятность появления утечек подогреваемого газа.
Рисунок 3 - Теплообменник подогревателя газа ГПМ-ПТПГ-30М
Специалистами завода «Газпроммаш» была разработана конструкция U-образного трубного пучка с двумя раздельными штуцерами (рисунок 4), позволяющая:
1. Повысить технологичность изготовления теплообменника, использовав стандартные элементы общепромышленного назначения;
2. В несколько раз снизить гидравлическое сопротивление, так как плавный изгиб труб обладает низким коэффициентом местных сопротивлений;
3. Повысить эффективность теплообмена направлением потока теплоносителя в сторону трубных пучков с помощью обтекателя, который помещен в пространство между пучками трубок теплообменника;
4. Уменьшить диаметр фланцев газопровода высокого давления, что повышает надежность и герметичность соединения.
Рисунок 4 - Теплообменник подогревателя газа ГПМ-ПТПГ-30К
Совместное применение наклонно расположенных труб в тепло- генераторе и обтекателя в теплообменнике (рисунок 5) увеличивает скорость и задает направление движения теплоносителя в корпусе подогревателя, улучшает естественную циркуляцию, что положительным образом сказывается на передаче тепла от дымовых газов к подогреваемому газу и, в конечном итоге, на КПД установки в целом. Данные конструктивные решения защищены патентом РФ [2].
Рисунок 5 - Схема движения теплоносителя в корпусе подогревателя газа ГПМ-ПТПГ-30К
Сравнение зависимостей КПД от расхода подогреваемого газа для подогревателей газа ГПМ-ПТПГ-30К и ГПМ-ПТПГ-30М иллюстрирует (рисунок 6). Расход подогреваемого газа, нм3/ч
Рисунок 6 - Зависимость коэфициента полезного действия объема подогреваемого газа для подогревателей газа ГПМ-ПТПГ-30 и ГПМ-ПТПГ-30М при перепаде температур ∆t=45oС
Предстоящие эксплуатационные испытания подогревателя газа ГПМ-ПТПГ-30К, должны обеспечить экспериментальное подтверждение теоретических расчетов.
Список использованной литературы:
1. Подогреватели газа с промежуточным теплоносителем. Опыт применения. Н.М. Соловьева, П.В. Хворостян Вестник Газпроммаша, выпуск
1. 2. Устройство для подогрева газа и нефти. Патент на полезную модель №53410. Н.М. Соловьева, Р.Е. Агабабян.
3. Подогреватели топливного и пускового газа ГПМ-ПТПГ-10К, ГПМ-ПТПГ-15К, ГПМ-ПТПГ-30К, ГПМ-ПТПГ-30К-02, ГПМ-ПТПГ-100К. Техническое задание.
4 .ТУ 3680-039-36214188-2002 Подогреватели топливного и пускового газа ГПМ-ПТПГ.
5. СТО 2-3.5-051-2006 Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов. ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», ОАО «Гипроспецгаз», ОАО «Ги- прогазцентр», ОАО «Оргэнергогаз». - М.: ООО «Информационно-рекламный центр газовой промышленности» (ООО «ИРЦ Газпром»), 2006.
6. Теплотехнический справочник. — 2-е изд. перераб. Под ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. - М.: Энергия, 1975.
7. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. Под ред. Н.В. Куз- нецова, В.В. Митора, Н.В. Дубровского, Э.С. Карасиной. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.