Газовая холодильная машина для охлаждения газового конденсата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Существует несколько схем сбора газа и газового конденсата на промыслах: линейная, кольцевая, групповая. Конкретный выбор схемы сбора газа зависит от многих причин, в числе которых геологические условия месторождения, состав и свойства добываемой продукции газовых скважин, способа подготовки газа и газового конденсата к транспортировке, требований потребителей и другие факторы. Наибольшее применение на новых газовых и газоконденсатных месторождениях получила централизованная система сбора. Газ и газовый конденсат от группы скважин по индивидуальным газопроводам-шлейфам поступают на УКПГ и затем после подготовки на каждой УКПГ- в газосборный коллектор и на головные сооружения (ГС). Следует отметить, что на первых стадиях разработки газовых месторождений широко применяли индивидуальные схемы сбора газа, когда на каждую скважину устанавливали свой комплекс оборудования для подготовки газа.

Газовые холодильные машины (ГХМ) широко распространены; они являются одним из наиболее эффективных типов криогенных устройств. Рабочий цикл газовых холодильных машин основывается на тех же процессах сжатия, теплообмена и расширения, которые используются в обычных рефрижераторных установках. Однако конструктивное выполнение ГХМ и особенности в решении ряда технических задач позволяют отнести газовые холодильные машины к самостоятельному типу криогенных систем. Газовые холодильные машины отличаются высокой термодинамической эффективностью, малыми габаритами, сравнительной простотой и надежностью в работе.

1. Технико-экономическое обоснование

Криогенной газовой машиной называют машину для получения криогенных температур, где рабочее тело не изменяет своего агрегатного состояния, оставаясь газообразным в любом процессе цикла.

Высокая эффективность криогенных газовых машин обусловлена, прежде всего, совершенством их термодинамического цикла, не уступающего по эффективности циклу Карно. На рис. V1-1, а представлен обратный цикл Карно, составленный из двух изотерм 1--2, 3'--4' и двух изоэнтроп 2--3' и 4' --1. Если изоэнтропы заменить двумя эквидистантными

Рисунок 1- Реализация цикла Стирлинга линиями 2--3 и 4--1, то образуется новый цикл 1--2--3--4. Его холодопроизводительность Т равна холодопроизводительности цикла Карно. Цикл, в котором эквидистантными линиями служат изохоры, получил название цикла Стирлинга

Конструкция любой криогенной газовой машины содержит следующие основные узлы: узел сжатия, предназначенный для повышения давления газа в рабочих объемах машины; блок теплообменных аппаратов, обеспечивающий внутреннюю регенерацию теплоты и теплообмен рабочего тела с внешними источниками теплоты; узел расширения, в котором газ охлаждается в результате совершения им внешней работы. Конструктивные и термодинамические признаки каждого узла, а также их взаимное расположение могут служить основой для классификации криогенных газовых машин.

По виду потребляемой энергии различают криогенные газовые машины с механическим приводом и теплоиспользующие, по конструкции узла сжатия -- машины с независимым и встроенным компрессором, по конструкции узла расширения -- машины с жесткой кинематической связью поршней и со свободным вытеснителем, по взаимному расположению цилиндров -- однорядные, двухрядные и угловые криогенные газовые машины, по числу ступеней расширения рабочего тела -- одно- и многоступенчатые. Возможна классификация и по конструктивным элементам каждого узла.

Холодопроизводительность наиболее крупных криогенных газовых машин составляет около 25 кВт, наиболее малых -- десятые доли ватта.

Рисунок 2 - Характеристики циклов для получения низких температур: 1-цикл паровой холодильной машины; 2- цикл с дросселированием; 3-цикл одноступенчатой криогенной газовой машины; 4-цикл двухступенчатой криогенной газовой машины

Для получения температур до 60 К используются одноступенчатые криогенные газовые машины, в интервале 60--15 К -- двухступенчатые .Для получения более низких температур необходимо многоступенчатое расширение рабочего вещества.

холодильник теплообменник газовый конденсат

1.1 Принципиальные схемы машин

Пусть имеется цилиндр с двумя рабочими поршнями и регенератором, заполненным теплоемкой насадкой. Допустим также, что температура левого конца регенератора (см. рисунок 1, б) совпадает с температурой окружающей среды, правого конца -- с температурой холодного источника. Левую полость назовем компрессорной (или полостью сжатия), правую -- детандерной (или полостью расширения). Положение I соответствует максимальной величине полости сжатия и минимальной величине полости расширения .

На первом этапе компрессорный поршень частично смещается вправо, детандерный остается неподвижным, в результате чего газ сжимается в объеме между поршнями. Процесс сжатия предполагается изотермическим (линия 1--2 на рисунок 1, а), теплота сжатия q отводится в окружающую среду. Концу I этапа соответствует положение II на рисунке 1, б и точка 2 на рисунке 1, а.

На следующем этапе оба поршня одновременно передвигаются вправо так, чтобы объем газа между ними оставался неизменным. Газ, перемещаясь из полости сжатия в полость расширения, отдает теплоту насадке регенератора и охлаждается до температуры холодного источника. Концу этого этапа соответствуют положение III на рисунке 1, б и точка 3 на рисунке 1, а (2--3 -- изохора).

На следующей стадии компрессорный поршень остается неподвижным, детандерный продолжает движение вправо, происходит изотермическое расширение газа с отдачей внешней работы. В процессе расширения к газу подводится теплота q0 от охлаждаемого источника (процесс 3--4 на рисунке 1, а). К концу этапа объем полости расширения достигает максимальной величины - Этому моменту соответствует положение IV на рисунке 1, б

Наконец, оба поршня синхронно перемещаются влево, возвращая систему в исходное положение I. Газ перемещается из холодной полости в теплую; в этом процессе газ нагревается, отнимая теплоту от насадки. Последнему этапу соответствует изохорный процесс 4--1 на рисунке 1, а

Таким образом, для строгой реализации цикла Стирлинга необходимо прерывистое перемещение поршней. График движения поршней (изменения объемов полостей сжатия и расширения) показан на рисунке 1, в. Поскольку получение прерывистого движения поршней сопряжено с усложнением конструкции машины, то на практике его заменяют непрерывным. Из рисунка 1, в видно, что ломаные линии Vc и VE могут быть приближенно аппроксимированы пунктирными гармоническими кривыми, сдвинутыми по фазе на некоторый угол этом случае привод поршней может осуществляться с помощью двух шатунно-кривошипных механизмов, причем изменение полости расширения должно на угол опережать изменяющийся объем компрессорной полости.

Замена прерывистого движения поршней непрерывным теоретически не отражается на эффективности цикла. В действительности эффективность реальной машины снижается, поскольку уменьшается располагаемая холодопроизводительность и возрастает относительная доля различных потерь.

Принципиальные схемы криогенных газовых машин с механическим приводом детандерного поршня представлены на рис.

В схеме 1, а оба поршня приводятся от одной шейки коленчатого вала. Сдвиг фаз между перемещениями компрессорного и детандерного поршней обеспечивается за счет конструктивного угла между осями цилиндров. Достоинство схемы --ее простота. Недостаток -- повышение требований к поршневому уплотнению детандера, которое работает при больших перепадах давлений между картером и рабочими полостями (до 1,5--2,0 МПа).

Рисунок 3.- Принципиальные схемы криогенных газовых машин с механическим приводом детандерного поршня; 1-полость сжатия; 2- полость расширения; 3-холодильник ;4- регенератор; 5-теплообменник

На рисунке 3, б давление изменяется в основном в результате движения компрессорного поршня. Детандерный поршень лишь перемещает газ из теплой полости в холодную и обратно, поэтому часто его называют вытеснителем. Такая схема позволяет сконструировать достаточно компактную машину и несколько снизить величину мертвых объемов рабочих полостей. Уплотнение вытеснителя работает в условиях небольшого перепада давлений, вызванного лишь гидравлическим сопротивлением блока теплообменных аппаратов. Величина последнего не превышает 0,1-0,15 МПа. благодаря чему удается существенно снизить перетечки газа между теплой и холодной полостями машины. Недостаток схемы - относительная сложность конструкции, вызванная необходимостью уплотнения штока вытеснителя в теле компрессорного поршня.

В микрокриогенных системах для уменьшения габаритных размеров, снижения теплопритоков к холодной полости и упрощения конструкции регенератор встраивают в вытеснитель. Роль теплообменников в этом случае выполняют соответствующие участки рабочих цилиндров (рисунок 3 в). Достоинством (рисунок 3 г является устранение конструктивно сложного уплотнения штока в компрессорном поршне.

Природный газ выносит из скважин взвешенную капельную жидкость (газовый конденсат, воду) и мелкие частицы горной породы, т.е. газ представляет собой дисперсную систему с дисперсной жидкой и твердой фазами.

На начальных этапах эксплуатации газоконденсатных месторождений Pвх в установки НТС значительно превышает P, необходимое для подачи в магистральные трубопроводы. Избыточное давление газа используется для получения низких температур, необходимых для отделения конденсата методом низкотемпературной сепарации.

Низкотемпературной сепарацией называют процесс извлечения жидких углеводородов из газов путем однократной конденсации при пониженных температурах от -10 до -25оС с газогидромеханическим разделением равновесных газовой и жидкой фаз.

1.2 Промышленная реализация процесса НТС

• Метод НТС для извлечения жидких углеводородов из продукции скважин газоконденсатных месторождений был впервые применен в США в 1951 году.

• Первая промышленная установка НТС состояла из низкотемпературного сепаратора со змеевиком в нижней части, предназначенным для расплава гидратов. Теплый газ из скважины проходил через змеевик, затем по выходе из змеевика сепаратора дросселировался и поступал в сепаратор. Отсепарированный газ направлялся в газопровод.

Дальнейшее развитие установок НТС шло по пути усложнения установок. В схему сначала включили рекуперационный теплообменник, затем системы впрыска и регенерации ингибитора гидратообразования, далее - холодильные машины и систему стабилизации конденсата.

Рисунок 4.- Принципиальная технологическая схема установки низкотемпературной сепарации газа: 1, 5, 6 - сепараторы; 2,3 - рекуперативные теплообменники; 4 - дроссель.

1.3 Основные факторы, влияющие на процесс НТС

• Состав сырьевого газа.

Чем тяжелее состав исходной смеси (чем больше средняя молекулярная масса газа), тем выше степень извлечения жидких углеводородов.

• Влияние температуры.

Температуру на установках НТС выбирают, исходя из необходимой точки росы, обеспечивающей транспортировку газа по трубопроводу в однофазном состоянии, а в ряде случаев и, исходя из необходимости увеличения степени конденсации пропана и бутанов. Для легких газов снижение температуры сепарации от 0 до минус 40 ОС обеспечивает существенный рост степени извлечения конденсатообразующих компонентов.

• Влияние давления.

Давление сепарации определяется давлением в магистральном трубопроводе и в пределах обычно используемых давлений (5-7,5 МПа) мало влияет на степень извлечения компонентов С3 и выше. Более важен свободный перепад давления, позволяющий достигать низких температур сепарации. В период снижения пластового давления эффективность работы установок НТС поддерживается на прежнем уровне путем ввода дожимного компрессора и внешнего холодильного цикла.

• Эффективность оборудования.

На эффективность работы установок НТС влияет используемый источник холода. В процессе длительной эксплуатации скважин и при снижении пластового давления замена изоэнтальпийного расширения (дросселирование) на изоэнтропийное (расширение в детандерах) позволяет эффективнее использовать свободный перепад давления и при одном и том же перепаде давления при детандировании потока достигать более низких температур сепарации.

• Число ступеней сепарации.

При одинаковых параметрах (P и T последней ступени охлаждения) - чем меньше число ступеней сепарации, тем больше выход жидкой фазы и тем меньше содержание углеводородов С5 и выше в товарном газе. Но при одноступенчатой сепарации чрезмерно высоки потери компонентов газа с углеводородным конденсатом. Увеличение ступеней сепарации повышает четкость разделения газовой и жидкой фаз.

• Гидратообразование.

Гидраты забивают трубки теплообменников и коммуникации установок НТС, что может привести к нарушению нормальной работы установки и даже к ее аварийной остановке.

Для предотвращения гидратообразования в поток газа подают ингибиторы, в качестве которых используются водные растворы гликолей и метанола.

По мере длительной эксплуатации скважин эффективность работы установок НТС снижается по двум причинам:

-уменьшение свободного перепада давления вследствие снижения пластового давления;

-облегчение состава газа.

1.4 Недостатки установок НТС

• зависимость извлечения целевых компонентов при дросселированных давлении и температуре от состава исходной смеси, и, вследствие этого, снижение эффективности процесса по мере облегчения состава газа и повышения температуры НТС;

• необходимость реконструкции установки с заменого источника холода после исчерпания свободного перепада давления;

• необходимость применения ингибитора гидратообразования, что усложняет и удорожает схему процесса по причине введения в схему блока отделения и регенерации ингибитора;

• высокие потери целевых компонентов с товарным газом;

• относительно низкие степени извлечения газового конденсата, особенно для тощих газов.

1.5.Достоинства установок НТС :

• низкие капитальные вложения и эксплуатационные расходы при наличии свободного перепада давления;

• одновременно с сепарацией имеет место осушка газа до точек росы, необходимых для транспортировки газа по магистральным газопроводам.

Рисунок 5 - Принципиальная схема процесса низкотемпературной конденсации (НТК):1,2- сепараторы 1-й и 2-й ступеней; 3- турбодетандер; 4- ректификационная колонна; 5 -выветриватель конденсата; 6 - блок регенерации ингибитора гидратообразования; 7 -ребойлср; 8 - теплообменники; I и II - исходный и отсепарированный газ; III - ШФЛУ; IV- ингибитор гидратообразования; V- конденсат сырого газа.

1.6 Низкотемпературная сепарация (НТК)

Низкотемпературная конденсация (НТК) - это процесс изобарного охлаждения газа (P=const) до температур, при которых при примененном давлении появляется жидкая фаза с последующим разделением в сепараторах газовой и жидкой фаз.

Одной и той же степени конденсации исходного газа можно достигать различными комбинациями значений температуры и давления.

Степень конденсации углеводородов можно увеличивать двумя способами: повышением давления при постоянной температуре или понижением температуры при постоянном давлении.

Современные схемы установок НТК включают следующие узлы:

• компримирование газа (при необходимости) до заданного давления;

• осушка газа; охлаждение газа для образования двухфазной системы;

• сепарация двухфазной системы;

• деэтанизация (деметанизация) образовавшейся жидкой фазы.

• Низкотемпературная ректификация (НТР) основана на охлаждении газового сырья до температуры, при которой система переходит в двухфазное состояние, с последующим разделением образовавшейся газожидкостной смеси без предварительной сепарации в тарельчатых или насадочных ректификационных колоннах.

1.7 Ректификационные колонны подразделяют на ректификационно-отпарные и конденсационно-отпарные

Рисунок 6 - конденсационно-отпарной колонны установки НТР:
1 - холодильник-конденсатор; 2 - сепаратор; 3 - насос; 4 - ректификационная колонна; 5 -ребойлер

Технологическое оборудование установки состоит из следующих основных блоков.

Блок холодильного контура.

Обеспечивает внешнее охлаждение потока газа до температуры минус 250С. Холодопроизводительность 900 кВт (температурный уровень -25 0С) обеспечивается путем установки трех винтовых холодильных компрессоров. Конденсация хладагента происходит в аппаратах воздушного охлаждения. Также в блок входят емкостные аппараты: аккумулятор хладагента, экономайзер. Холодильный контур предназначен для конденсации и подачи жидкого хладагента в испаритель (пластинчатый, либо кожухотрубный теплообменник) и отбора тепла от газового потока путем фазового перехода хладагента.

Блок низкотемпературной конденсации предназначен для охлаждения потока газа в рекуперативных теплообменниках и испарителе хладагента, а затем разделения на газовые и жидкие фракции охлажденного потока. Газ после сепарации и подогрева в рекуперациионном теплообменнике направляется в магистральный трубопровод, нестабильный конденсат в колонну стабилизатор, а водометанольная смесь в установку регенерации метанола.

Блок фрационирования представляет собой колонну стабилизации конденсата. Стабилизация конденсата осуществляется за счет подогрева конденсата в ребойлере и тепломассообменных процессов на тарелках колонны.

Предназначен для подачи тепла к ребойлеру колонны стабилизатора и нагрева регенератора метанола.

Предназначен для регенерации метанола и подачи регенерированного метанола на впрыск в теплообменники НТК.

Установка имеет возможность дальнейшей модернизации с возможностью получения СПБТ и конденсата газового стабильного.

1.8 Сбор и подготовка газа и газового конденсата

Существует несколько схем сбора газа и газового конденсата на промыслах: линейная, кольцевая, групповая. Конкретный выбор схемы сбора газа зависит от многих причин, в числе которых геологические условия месторождения, состав и свойства добываемой продукции газовых скважин, способа подготовки газа и газового конденсата к транспортировке, требований потребителей и другие факторы. Каждая газовая скважина соединяется с газосборными коллекторами газопроводами-шлейфами. Газосборные коллекторы соединяют газопроводы-шлейфы с установками комплексной подготовки газа (УКПГ). При наличии на месторождении нескольких УКПГ их соединяют между собой соединительными газопроводами. Наибольшее применение на новых газовых и газоконденсатных месторождениях получила централизованная система сбора. Газ и газовый конденсат от группы скважин по индивидуальным газопроводам-шлейфам поступают на УКПГ и затем после подготовки на каждой УКПГ - в газосборный коллектор и на головные сооружения (ГС). Следует отметить, что на первых стадиях разработки газовых месторождений широко применяли индивидуальные схемы сбора газа, когда на каждую скважину устанавливали свой комплекс оборудования для подготовки газа. Эта схема сбора газа отличалась высокой степенью надежности, так как выход из строя одной индивидуальной установки не прекращал работы всей системы. Однако из-за ряда крупных недостатков - большой металлоемкости и рассредоточенности объектов, повышенной численности обслуживающего персонала, сложной системы водо- и теплоснабжения эта система в настоящее время не применяется.

На современных газовых месторождениях система сбора и подготовки газа включает следующие сооружения: установку предварительной подготовки газа (УППГ), УКПГ и ГС. Это общая схема, так как в зависимости от характера месторождения (чисто газовое или газо-конденсатное) и других факторов процессы подготовки газа могут в основном сосредоточиваться на УППГ, УКПГ или на УКПГ и ГС. Например, если месторождение чисто газовое, то вся подготовка газа сосредоточивается на УКПГ, а на УППГ выполняют только замер объемов продукции, поступившей от каждой газовой скважины. На газоконденсатных месторождениях на УППГ выполняют не только замер объема продукции каждой скважины, но и частичное отделение влаги и конденсата.

При промысловой подготовке газа в основном для удаления влаги и конденсата применяют три технологических процесса: низкотемпературную сепарацию (НТС), абсорбционную сушку и адсорбционную сушку. Области применения каждого из этих технологических процессов определяются конкретными условиями каждого газового месторождения. Так, для подготовки газа на чисто газовых месторождениях для удаления влаги широко применяют абсорбционную, а также адсорбционную сушку. При наличии в газе конденсата наряду с абсорбционной и адсорбционной сушкой, особенно в условиях северных газоконденсатных месторождений, широко применяют низкотемпературную сепарацию (НТС), а при содержании конденсата более 100 см3 в 1 м3 газа применяют также и низкотемпературную абсорбцию (НТА). Если газ содержит повышенное количество сероводорода и углекислого газа (кислые газы), то газ дополнительно очищают от сероводорода и углекислого газа на специальных установках, а на крупных месторождениях на ГПЗ.

Низкотемпературная сепарация осуществляется при температурах от -15° С в описанных ранее гравитационных или циклонных сепараторах с предварительным охлаждением газа. Охлаждение газа до низких температур позволяет более глубоко провести удаление влаги и конденсата. Для охлаждения газа и газового конденсата при НТС используют два метода: дросселирование газа и применение специальных холодильных машин. Метод дросселирования основан на "дроссель-эффекте" или эффекте Джоуля - Томсона, изучаемого в курсе физики. Суть этого эффекта заключается в изменении температуры газа при снижении давления на дросселе, т.е. на местном препятствии потоку газа. При положительном эффекте Джоуля - Томсона газ в процессе дросселирования охлаждается, а при отрицательном - нагревается. Для природного газа, состоящего в основном из метана, эффект Джоуля Томсона положительный, т.е. происходит с охлаждением газа. Для дросселирования газа перед входом в сепаратор устанавливают дроссель, т.е. шайбу с узким проходным отверстием. Дросселирование газа широко применяют при низкотемпературной сепарации ввиду простоты устройства дросселя и отсутствия сложного холодильного оборудования. Однако дросселирование эффективно для охлаждения газа только при определенном устьевом давлении газовой скважины (во всяком случае не менее 6 МПа). Поэтому применение дросселирования на поздних стадиях разработки месторождения неэффективно из-за падения давления газа. В этом случае для охлаждения газа применяют специальные холодильные машины. Применение таких машин позволяет вести подготовку газа до конца разработки месторождения, но при этом возрастают (примерно в 2-2,5 раза) капитальные вложения в обустройство промыслов. Для предотвращения образования гидратов в сырой газ вводят водный раствор гликолей, в частности диэтиленгликоля (ДЭГ).

Абсорбционные методы удаления влаги и конденсата из газа основаны на явлении абсорбции, т.е. поглощения влаги и конденсата жидкими веществами, называемыми абсорбентами. В качестве абсорбентов широко используют водные растворы гликолей: диэтиленгликоля (ДЭГ), три этиленгликоль (ТЭГ). Применение гликолей в качестве абсорбентов объясняется тем, что они удовлетворяют требованиям, предъявляемым к абсорбентам: высокая взаиморастворимость с водой, простота регенерации, т.е. восстановления насыщенного влагой ДЭГ или ТЭГ, малая вязкость и низкая коррозионная активность, неспособность к образованию пены.

Этим требованиям лучше всего удовлетворяет ДЭГ. Для извлечения тяжелых углеводородов конденсата в качестве абсорбента применяют углеводородные жидкости. Для проведения абсорбции применяют специальные абсорбционные колонны. В корпусе колонны - абсорбера по высоте снизу-вверх последовательно расположены три секции: сепарационная, поглотительная (абсорбционная) и отбойная. Абсорбент (водный раствор ДЭГ) поступает в верхнюю часть колонны и движется сверху вниз. Газ проходит по колонне-абсорберу в противоположном направлении, т.е. снизу-вверх, и контактирует с абсорбентом. В поглотительной секции абсорбера и происходит основной процесс поглощения влаги абсорбентом. Осушенный газ выходит из верхней части абсорбера, а насыщенный влагой раствор ДЭГ - из нижней части абсорбера. Регенерация насыщенного водой абсорбента осуществляется путем его нагрева в печах и испарения воды.

Адсорбционный метод осушки газа связан с применением метода адсорбции, т.е. поглощения влаги твердыми веществами - адсорбентами. В качестве адсорбентов используют твердые пористые вещества, имеющие развитую удельную поверхность: активированные угли, силикогели, цеолиты естественные и искусственные. Насыщенные водой и конденсатом вещества-адсорбенты могут быть регенерированы за счет удаления поглощенной влаги и повторно использованы. Этот процесс называют десорбцией. Адсорбционную осушку газа осуществляют на адсорбционной установке, в состав которой входят две или более колонн - адсорберов. Когда один из аппаратов работает в режиме адсорбции, то другой - в режиме регенерации - десорбции. При режиме адсорбции сырой газ проходит в аппарате через слой адсорбента, где очищается от влаги и конденсата. В таком режиме аппарат работает обычно 8 ч (реже 16 или 24 ч). За это время слой адсорбента насыщается влагой и конденсатом. После этого аппарат переключается на работу в режиме регенерации. При регенерации адсорбента часть сырого газа нагревают в нагревателях до температуры 200-300° С и затем подают в колонну. Нагретый газ, проходя через слой насыщенного влагой и конденсатом адсорбента, поглощает влагу и конденсат и выводит их за пределы колонны. Затем циклы адсорбции и десорбции периодически повторяют. Адсорбционные методы осушки газа по сравнению с абсорбционными позволяют провести более глубокую очистку газа от влаги со снижением точки росы до -50° С и ниже. Поэтому адсорбционные процессы осушки газа находят применение на северных газовых месторождениях.

Глубина осушки газа перед подачей его в магистральные газопроводы определяется отраслевым стандартом Мин Газпрома ОСТ 51.40-83 "Газы горючие, подаваемые в магистральные газопроводы", где установлена точка росы по влажности в разных климатических зонах. Точка росы - температура, до которой должен охладиться газ, чтобы достигнуть состояния насыщения водяным паром. При достижении точки росы в газе начинается конденсация влаги, что приводит к образованию гидратов. Поэтому для умеренной зоны нашей страны в период с 1 мая по 30 сентября точка росы газа по влаге не должна превышать 0° С, а с 1 октября по 30 апреля - (-5)° С. В холодной зоне нашей страны точка росы газа по влаге соответственно не должна превышать -10 и -20° С. На месторождениях с повышенным содержанием сероводорода газ перед подачей в магистральный газопровод должен быть очищен от сероводорода. Это прежде всего имеет отношение к таким газоконденсатным месторождениям, как Оренбургское, Карачаганакское, Астраханское. По ОСТ 51.40-83 минимальное содержание сероводорода в газе, подаваемом в магистральный газопровод, не должно превышать 0,02 г на 1 м3 газа. С другой стороны, сероводород - ценное сырье для получения высококачественной элементарной серы и серной кислоты. Поэтому отделенный от газа сероводород используют для получения серы и серной кислоты. Для удаления из газа сероводорода наиболее часто применяют абсорбционные методы, которые можно разделить на следующие три группы:

абсорбция сероводорода за счет его физического растворения в абсорбенте, в качестве которого применяют ацетон, трибутилфосфат;

абсорбция сероводорода как за счет физического растворения, так и за счет одновременно протекающих химических реакций взаимодействия вещества-абсорбента с сероводородом; в этом случае в качестве абсорбентов применяют смесь растворителя - сульфинола и химического поглотителя - диизопропаноламина и воды; абсорбция сероводорода и углекислого газа при их химическом взаимодействии с химически активной частью абсорбента; в качестве абсорбентов при этом применяют моноэтаноламин (МЭА), диэтано-ламин (ДЭА), триэтаноламин (ТЭА).

Наибольшее применение в практике очистки газа от сероводорода и углекислого газа нашел абсорбционный метод с применением в качестве абсорбентов водных растворов МЭА или ДЭА. Абсорбцию газа для очистки его от сероводорода и углекислого газа проводят в абсорберах, где газ движется снизу вверх и взаимодействует со встречным потоком водного раствора МЭА или ДЭА.

Машина КГМ-15. Криогенная газовая машина КГМ-15 (листы 115-117) первый опытный крупный отечественный криогенератор холодопроизводительностью 6000 Вт на уровне 77 К с рабочим диапазоном температур от 77 до 190 К. По холодильному циклу, принципу действия и назначению основных конструктивных элементов машина КГМ-15 аналогична ранее описанным одноступенчатым КХЛ1.

Отличительная особенность конструкции машины КГМ-15 -- ромбический механизм движения. Для установки машины не требуются специальный фундамент или массивное основание. Механизм движения располагается в литом чугунном картере, находящемся под атмосферным давлением. Ромбический механизм движения образован двумя коленчатыми валами, двумя парами компрессорных и одной парой вытеснительных шатунов и двумя траверсами.

Коленчатые валы, один из которых является ведущим и через муфту-маховик соединяется с электродвигателем, имеют по одной мотылевой шейке, строго синхронное вращение валов обеспечивается парой шестерен, которой они соединены.

На каждой мотылевой шейке коленчатого вала расположено по три шатуна: по краям -- компрессорные, в середине -- вытеснительный. Неразъемными головками шатуны соединены с траверсами.

Верхняя траверса жестко соединена со штоком компрессорного поршня, нижняя -- со штоком вытеснительного. Шток вытеснительного поршня проходит через шток компрессорного и направляется в нем двумя втулками. Нижняя втулка изготовлена из высокооловянистой бронзы, трущаяся поверхность верхней -- из антифрикционного полимерного композиционного материала.

При синхронном вращении коленчатых валов ромбическая система обеспечивает гармоническое движение поршней с характерным для криогенных газовых машин фазовым смещением изменения объемов сжатия и расширения.

Рабочая полость машины находится под переменным давлением гелия от 4,6 до 2,15 МПа и герметично отделена от картера. Подвижное уплотнение штоков выполнено в виде колец из специальной резины. На каждый шток в месте его выхода в картер перед направляющей втулкой установлено по одному такому кольцу. Ресурс работы колец составляет около 4000 ч.

Уносу масла по штокам из картера в рабочую полость препятствуют неразрезные упругие кольца из специальной пластмассы в стальной пружинной обойме. Уплотнительные и направляющие кольца поршней изготовлены из антифрикционного полимерного композиционного материала.

Смазка механизма движения осуществляется от шестеренчатого насоса: масло после холодильника подводится через втулки к шейкам коленчатых валов и по сверлениям в них к подшипникам скольжения шатунов. Роликовые подшипники, на которые опираются коленчатые валы, смазываются разбрызгиванием, к шестерням масло подводится через форсунку. Маслопроводы шестеренчатого насоса подсоединены к специальной клапанной коробке, которая позволяет при любом направлении вращения шестерен маслонасоса обеспечить подачу масла к коленчатым валам.

Холодные части машины заключены в кожух, заполненный изоляцией (шелковыми или шерстяными очесами). Из верхней части конденсатора проведена трубка для подсоединения к водоструйному насосу, которая может оказаться необходимой при наличии в ожижаемом газе неконденсируемых компонентов.

Сечение наклонного патрубка к конденсатору выбрано таким, чтобы поступающие через него пары газа на ожижение не препятствовали обратному сливу жидкости.

2 Термодинамический расчёт газовой холодильной машины по методике Шмидта

Базовой моделью для проектируемой ГХМ является модель с ромбическим механизмом привода. Это одноцилиндровая одноступенчатая ГХМ с соосным расположением поршней. Диаметр компрессорного поршня больше диаметра вытеснительного поршня. Ромбический механизм движения позволяет полностью уравновесить все силы инерции, действующие в машине. Конструктивный расчёт проводится на основе методики Шмидта.

Модель расчёта ГХМ Шмидта включает следующие допущениях:

1. рабочее тело - идеальный газ;

2. процессы сжатия и расширения протекают изотермично;

3. процессы теплообмена в аппаратах идеальные;

4. отсутствуют гидравлические потери в теплообменных аппаратах и другие виды потерь.

На основе модели Шмидта возможно проводить расчёт ГХМ с различными схемами расположения поршней, в частности, с соосным расположением поршней

Целью расчёта по методике Шмидта является определение холодопроизводительности ГХМ Q0, затрачиваемая мощность N, а также отводимый в окружающую среду тепловой поток Q при заданном температурном уровне охлаждаемого объекта. Исходными данными для расчёта служат основные конструктивные параметры ГХМ, такие как величина описанного объёма вытеснителя VE; величина описанного объёма компрессорного поршня VC; конструктивный угол между осями цилиндров ?; величины мёртвых объёмов компрессорной полости VCM, полости расширения VEM, объёмы регенератора VРМ, холодильника VХМ и теплообменника нагрузки VТМ; диаметры компрессорного поршня DC и вытеснителя DE; а также диаметр штока вытеснителя dШТ. Кроме того, исходными данными являются средние температуры окружающей среды и холодильника Т0, температура полости расширения ТЕ, а также максимальное давление РMAX. К исходным данным относят и частоту вращения кривошипа n.

При проектировании ГХМ исходными данными являются холодопроизводительность ГХМ Q0 и температура охлаждаемого объекта Т. Определяемыми величинами являются затрачиваемая мощность N, отводимый в окружающую среду через холодильник тепловой поток Q=QХ, тепловая нагрузка на регенератор QР, а также конструктивные параметры холодильника, регенератора и теплообменника нагрузки.

Для того, чтобы методику Шмидта можно было использовать для конструктивного расчёта ГХМ на заданные параметры (холодопроизводительность Q0 и температурный уровень Т=ТЕ), расчёт проводят методом последовательной корректировки исходных данных расчёта, сущность которого состоит в первоначальном приближённом задании исходных данных расчёта, которые после нахождения холодопроизводительности будут корректироваться с соответствующим проведением полного цикла вычислений до тех пор, пока заданная холодопроизводительность не будет достигнута.

Ниже приведён последний цикл расчёта с выходом на заданное значение холодопроизводительности Q0. Исходными данными для проведения конструктивного расчёта являются холодопроизводительность Q0=15 кВт, температурный уровень Т=ТЕ=200К.

Задаваемыми в начале расчёта и варьируемыми в процессе его проведения являются такие параметры, как:

диаметр компрессорного поршня DC;

диаметр вытеснителя DE;

радиус кривошипа r;

величина объёма регенератора VРМ;

величина объёма холодильника VХМ;

величина объёма теплообменника нагрузки VТМ.

После определения перечисленных выше параметров методом последовательной корректировки исходных данных расчёта находились такие характеристики, как:

величина описанного объёма вытеснителя VE;

величина описанного объёма компрессорного поршня VC;

затрачиваемая мощность N;

отводимый в окружающую среду через холодильник тепловой поток Q=QХ;

тепловая нагрузка на регенератор QР:

конструктивные параметры холодильника, регенератора и теплообменника нагрузки.

В результате проведения конструктивного расчёта были определены значения задаваемых конструктивных параметров:

диаметр компрессорного поршня DC=20 см;

диаметр вытеснителя DE=12 см;

радиус кривошипа r=2,8 см;

длина шатуна l=14,5 см;

дезаксиальность Е=7 см;

величина объёма регенератора VРМ=500 см3;

величина объёма холодильника VХМ=400 см3;

величина объёма теплообменника нагрузки VТМ=500 см3.

Число оборотов вала машины не менялось в течении расчёта и принималась равной n=1500 об/мин.

Мёртвый объём полости расширения VEM=10 см3.

Мёртвый объём компрессорной полости VСM=15 см3.

В начале расчёта заданы следующие не изменяемые термодинамические параметры:

среднее давление в полостях РСР=2,5 МПа;

температура окружающей среды и равная температуре холодильника Т0=ТХ=293К;

температура охлаждаемого объекта, равная температуре в полости расширения Т=ТЕ=200К;

средняя температура в полости сжатия определяется по зависимости

;

средняя температура регенератора определяется по зависимости [1]

.

Объём, описанный вытеснительным (детандерным) поршнем, определяется по выражению

.

Отношение площадей компрессорного и расширительного поршня

.

Безразмерный радиус кривошипа

.

Безразмерная дезаксиальность



Кинематические константы

Суммарный приведённый мёртвый объём

.

Отношение температур окружающей среды и охлаждаемого объекта

.

Константы, обусловленные методикой расчёта

,

,

.

Безразмерный расчётный параметр

.

Степень повышения давления газа

.

Максимальное давление в цикле

.

Холодопроизводительность ГХМ

.

Тепловой поток, отводимый в окружающую среду (тепловая нагрузка на холодильник)

.

Мощность, подводимая к ГХМ

.

Построим индикаторные диаграммы для полостей расширения и сжатия. Для этого представим зависимости давления в ГХМ и объёмов полостей сжатия и расширения от угла поворота коленвала машины.

Угол, обусловленный методикой расчёта

.

Зависимость давления от угла поворота имеет вид

Зависимость объёма полости расширения от угла поворота имеет вид

Зависимость объёма компрессорной полости от угла поворота имеет вид

На основе последних трёх зависимостей строятся индикаторные диаграммы полости расширения (см. рисунок) и полости сжатия (см. рисунок).



Рисунок 7. Индикаторная диаграмма полости расширения

Рисунок 8- Индикаторная диаграмма компрессорной полости

Построенные индикаторные диаграммы нужны для определения среднего массового расхода гелия, проходящего через холодильник, регенератор и теплообменник нагрузки.

3. Тепловой расчёт регенератора

Целью теплового расчёта регенератора является определение его конструктивных параметров, таких как высота и толщина регенератора. Задаваемыми параметрами являются физические свойства гелия, а также характеристики насадки регенератора.

Рабочим веществом, проходящим через регенератор, является гелий.

Удельная молярная теплоёмкость гелия [4]

.

Удельная массовая теплоёмкость гелия

,

где ?=0,004 кг/моль - молярная масса гелия.

Газовая постоянная гелия

.

Коэффициент адиабаты k=1,66.

Коэффициент динамической вязкости гелия при температуре 273 К [4]

.

Коэффициент динамической вязкости гелия при средней температуре регенератора ТР=243К определяется по формуле Сатерленда [4]

,

где С=78 К - константа Сатерленда [4].

Плотность гелия при температуре ТР=243К

.

Коэффициент кинематической вязкости гелия при температуре ТР=243К

.

Коэффициент теплопроводности гелия при температуре 273 К [4]

.

Коэффициент теплопроводности гелия при средней температуре регенератора ТР=243К также определяется по формуле Сатерленда

.

Определяем толщину стенки цилиндра, отделяющую регенератор от рабочих полостей ?=0,5 см.

Определяем толщину регенератора hР=2,0 см.

Определяем площадь поперечного сечения регенератора



Для нахождения тепловой нагрузки на регенератор необходимо знать средний массовый расход гелия через него. Массовый расход будем определять как массу гелия, прошедшую за половину времени цикла. В свою очередь, прошедшую через регенератор массу гелия будем находить как разность масс гелия в полости сжатия при её максимальном объёме и минимальном объёме. Массы гелия в компрессорной полости при максимальном и минимальном объёме определяем по индикаторной диаграмме полости сжатия (рис. 2) на основе уравнения состояния идеального газа.

Минимальный объём компрессорной полости, принимает значение

.

Давление в компрессорной полости при её минимальном объёме VMIN определяется и принимает значение

.

Максимальный объём компрессорной полости, принимает значение

.

Давление в компрессорной полости при её максимальном объёме VMAX определяется и принимает значение

.

Максимальная масса в компрессорной полости определяется по уравнению состояния идеального газа

.

Минимальная масса в компрессорной полости определяется по уравнению состояния идеального газа

.

Время одного цикла

.

Средний массовый расход гелия через регенератор

.

Тепловая нагрузка на регенератор

.

В качестве насадки регенератора выбираем сетку тип 5 (ГОСТ 6813-73).

Характеристики сетки [2]:

пористость насадки ?0=0,737 м3/м3;

удельная поверхность теплообмена s0=4200 м2/м3;

эквивалентный диаметр канала dЭ=0,701 мм;

диаметр проволоки dПР=0,250 мм.

Определяем площадь живого сечения регенератора

.

Определяем скорость фильтрации

.

Определяем критерий Рейнольдса для движения гелия в регенераторе

.

Критерий Нуссельта определяется по критериальному уравнению [1]

.

Коэффициент теплоотдачи определяется по уравнению

.

Определим средний коэффициент теплопередачи [4]

.

Средний температурный напор между гелием и насадкой конденсатора с учётом петли гистерезиса примем [4] ?Т=4,5К.

Площадь поверхности теплообмена определяется по уравнению теплопередачи

.

Объём регенератора определяется через удельную поверхность теплообмена

.

Определяем высоту регенератора

.

4. Расчёт холодильника

Цель расчёта холодильника - по заданной тепловой нагрузке определить его конструктивные параметры, такие как площадь поверхности теплообмена и высота холодильника. Встроенный в ГХМ холодильник выполняется кольцевым вокруг цилиндра, в котором движутся компрессорный и вытеснительный поршни. Расчёт строится на основе уравнения теплоотдачи с использованием среднего температурного напора между газом и стенкой холодильника, и коэффициента теплоотдачи.

Кольцевой холодильник может быть щелевым или трубчатым. Щелевые холодильники используются при холодопроизводительности меньше 1000 Вт. В рассматриваемой ГХМ холодопроизводительность больше 1000 Вт, поэтому холодильник выполняется трубчатым. Трубки берутся никелевые (ГОСТ 13548-77 Трубки тонкостенные из никеля и никелевых сплавов) со следующими параметрами:

внутренний диаметр трубки dВН=2,7 10-3 м;

наружный диаметр трубки dНАР=3,0 10-3 м.

Принимаем толщину холодильника (толщину кольца) hХ=2,5 см.

Определяем площадь поперечного сечения холодильника

.

Число трубок определяем из условия, что половина площади поперечного сечения колъцевого холодильника относится к межтрубному пространству

.

Окончательное число трубок NТР=862 штук.

Определяем площадь живого сечения всех трубок

.

Тепловая нагрузка на холодильник принимается равной тепловому потоку, отводимому в окружающую среду от ГХМ

.

Средняя температура гелия в холодильнике определяется по выражению

.

Определяем теплофизические свойства гелия при средней температуре в холодильнике.

Коэффициент динамической вязкости гелия при температуре ТХСР=339К определяется по формуле Сатерленда

.

Плотность гелия при температуре ТХСР=339К

.

Коэффициент кинематической вязкости гелия при температуре ТХСР=339К

.

Коэффициент теплопроводности гелия при температуре ТХСР=339К также определяется по формуле Сатерленда

.

Определим среднюю скорость движения гелия в трубках

.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле

Re>4000, следовательно, режим течения гелия в трубках турбулентный.

Найдём коэффициент температуропроводности

.

Определим критерий Прандтля



Критерий Нуссельта определяется по критериальному уравнению для турбулентного режима течения гелия в трубках

.

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле

.

Средний температурный напор между стенками холодильника и гелием

.

Поверхность теплообмена холодильника определяем по уравнению теплоотдачи

.

Определим длину трубок (высоту холодильника)

.

Определим объём холодильника

.

5. Расчёт теплообменника нагрузки

Цель расчёта теплообменника нагрузки- по заданной тепловой нагрузке (холодопроизводительности ГХМ) определить его конструктивные параметры, такие как площадь поверхности теплообмена и высота теплообменника. Встроенный в ГХМ теплообменник принимается кольцевым вокруг цилиндра, в котором движутся компрессорный и вытеснительный поршни. Расчёт строится на основе уравнения теплоотдачи с использованием среднего температурного напора между газом и стенкой теплообменника, и коэффициента теплоотдачи.

Трубки теплообменника берутся никелевые (ГОСТ 13548-77 Трубки тонкостенные из никеля и никелевых сплавов) со следующими параметрами:

внутренний диаметр трубки dВН=2,2 10-3 м;

наружный диаметр трубки dНАР=2,5 10-3 м.

Принимаем толщину теплообменника (толщину кольца) hТ=2,5 см.

Определяем площадь поперечного сечения теплообменника

.

Число трубок определяем из условия, что половина площади поперечного сечения колъцевого теплообменника относится к межтрубному пространству

.

Окончательное число трубок NТР=1240 штук.

Определяем площадь живого сечения всех трубок

.

Тепловая нагрузка на теплообменник принимается равной холодопроизводительности ГХМ

.

Средняя температура гелия в теплообменнике определяется по выражению

.

Определяем теплофизические свойства гелия при средней температуре в теплообменнике.

Коэффициент динамической вязкости гелия при температуре ТТСР=221К определяется по формуле Сатерленда

.

Плотность гелия при температуре ТТСР=221К

.

Коэффициент кинематической вязкости гелия при температуре ТТСР=221К

.

Коэффициент теплопроводности гелия при температуре ТТСР=221К также определяется по формуле Сатерленда

.

Определим среднюю скорость движения гелия в трубках

.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле

Найдём коэффициент температуропроводности

.

Определим критерий Прандтля

.

Критерий Нуссельта определяется по критериальному уравнению для турбулентного режима течения гелия в трубках

.

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле

.

Средний температурный напор между стенками теплообменника и гелием

.

Поверхность теплообмена теплообменника нагрузки определяем по уравнению теплоотдачи

.

Определим длину трубок (высоту теплообменника)

.

Определим объём теплообменника

.

6. Автоматизация газовых криогенных машин (ГКМ). Особенности применения ГКМ

В диапазоне температур от 150 до ЗОК наиболее эффективными в настоящее время являются микроохладители, реализующие обратный цикл Стирлинга.

Однако установке не базе ГКМ имеют существенный недостаток - необходимость размещения всей установки вблизи охлаждаемого объекта, что требует принятия конструктивных мер по снижению влиянии вибраций машины и радиопомех . От успешного решения этой задачи в большой степени зависит возможность реализации преимуществ ГКМ. Один из путей снижения вибраций машины выбор соответствующих размеров механизма и максимально уравновешивание возникающих в нем инерционных сих и моментов. Инерционные силы и моменты можно уравновешивать установкой противовесов и использованием специальных кинематических средство уравновешивающего механизма Ланчестера или ромбического механизма.

Другой путь - конструктивное разделение компрессорного и низкотемпературного блоков, которые соединяются гибкими трубопровода и могут быть размещены на достаточно большом расстоянии один от другого. Вибрации низкотемпературного блока, внутри которого перемещается вытеснитель, движущийся за счет разности давлений между полостями, становятся очень незначительными. Дальнейшего снижения вибраций можно добиться, используя в качестве вытеснителя подпружиненный колпачок или упругую диафрагму.

МикроГКМ используются, в основном, для двух целей,

1. для конденсации небольших количеств газов или паров. В этом случае задача системы автоматизации состоит в обеспечении безаварийной работы машины при максимальной холодопроизводительности.

2. Для охлаждения и криостатирования объектов с малым тепловыделением Изменение тепловой нагрузки на машину может происходить как вследствие изменения количества тепла, выделяемого объектом так и из-за изменения температуры окружающей среды.

В этом случае САР должна обеспечить не только безаварийную работу ГКМ, но и осуществлять автоматическое регулирование холодопроизводительности.

Рассмотрим наиболее распространенные способы регулирования холодопроизводительности микроГКМ.

6.1 Способы регулирования холодопроизводительности миниатюрных газовых криогенных машин

Изменение числа циклов в единицу времени.

Большая часть электродвигателей привода ГКМ питается от источников постоянного тока- напряжением 27В. Для изменения числа оборотов вала электродвигателя можно в цепь его питания вводить регулируемые компенсирующие резисторы (реостаты). Для осуществления такой схемы регулирования необходимо вводить дополнительные устройства, а такие электрические или пневматические исполнительные механизмы для изменения сопротивления. Всё это усложняет конструкцию увеличивает габариты, массу м энергоемкость, снижает экономичность и создает дополнительные вибрации и вращающие моменты. Поэтому этот способ выгодно использовать в тех случаях, когда регулирование осуществляется с участием человека.

Более перспективным является метод широтно-импульсной модуляции. Однако я у этого метода есть ряд недостатков ограничивающих его применение. В частности, при использовании последнего метод,: в сети, от которой питается двигатель, возникают пульсации, которые могут оказать отрицательное влияние на работу других систем.

Основной недостаток этого метода в целом это большая величина времени регулирования, что может приводить к значительному отклонению температуры от заданного значения Как показали исследования, если электродвигатель получает питание от сети переменного тока, то наиболее вероятным приводом ГКМ с регулировкой числа оборотов является тиристорный асинхронный электропривод с фазным управлением. В этом случае зависимость изменения напряжения (первой гармоники) на зажимах двигателя от напряжения управления имеет вид. Напряжение на зажимах двигателя не может быть больше номинального и меньше некоторого минимального напряжения, которые определяются параметрами тиристорного электропривода.

Регулирование температуры может осуществляться только в сторону увеличения температуры, т.е. в сторону уменьшения оборотов от номинальных.

В режиме стабилизации температуры наиболее удобно рассматривать динамику системы при мало отклонениях температуры от заданной.

Таким образом, газовые криогенные машины типов ХМ с тиристорным асинхронным электроприводом с фазным управлением списываются нелинейными дифференциальными уравнениями 2-го или 3-го порядка с запаздывающим аргументом. Так как нелинейная характеристика несимметрична, то при определенных сочетаниях параметров могут возникать несимметричные незатухающие колебания (автоколебания). Если их амплитуда велика, то система стабилизации температуры будет работать неудовлетворительно.

Нелинейные системы с запаздыванием без корректирующих устройств не обладают хорошими качественными показателями, поэтому их применение возможно только при наличии соответствующих корректирующих устройств.

В качестве корректирующего звена предлагается звено Кз, состоящее из сумматора, обратной связи, интегрирующего звена и ограничителя амплитуды, охваченных жесткой отрицательной обратной связью и подключенного.

...