Підвищення ефективності газопостачання за рахунок інтенсифікації захисту від сольових відкладів в системах водяного охолодження газомотокомпресорів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність роботи. У даний час в загальному обсязі виробництва первинних енергоресурсів газ складає більше 50%. Він вважається основним енергетичним ресурсом України. Все зростаюча роль паливно-енергетичного комплексу в нашій економіці обумовлює необхідність до корінного удосконалення виробництва і споживання природного газу за рахунок економії палива, зниження питомої енергоємності виробництва.

Важливою ланкою газової галузі є дожимні компресорні станції. Від їх надійної та ефективної роботи залежить якісне забезпечення споживачів газом. Досвід експлуатації компресорної станції показує, що значна частина втрат продуктивності (до 15%) пов'язана з порушенням технологічного режиму роботи її систем, зокрема системи охолодження газоперекачувальних агрегатів.

Порушення температурного режиму системи водяного охолодження компресорних станцій викликане утворенням щільних сольових відкладів на стінках сорочці охолодження компресорного агрегату, а також на поверхнях теплообмінних апаратів, що призводить до значного зниження ефективності теплообміну. Внаслідок цього, до 10 % зменшується продуктивність газоперекачувального агрегату, збільшується витрата палива і знижується надійність роботи всієї компресорної станції.

У зв'язку з тим, що сьогодні особлива увага приділяється ресурсозберігаючим технологіям, впровадженню нових способів і технологій, важливим питанням є дослідження впливу сольових відкладів на продуктивність, витрати газу на газоперекачувальних агрегатах, інтенсифікацію захисту поверхні теплообміну системи водяного охолодження дожимної компресорної станції від солевідкладів.

Серед методів, що використовуються для захисту від сольових відкладів систем водяного охолодження дожимних компресорних станцій, є стабілізаційна обробка води комплексоном. Цей метод є найбільш перспективним для інтенсифікації захисту, оскільки крім запобігання від накипу можливе його використання для “відмивочного” режиму.

Для збільшення ефективності захисту від сольових відкладів у системі водяного охолодження та підвищення ефективності роботи газоперекачувальних агрегатів доцільно застосувати системний підхід з розробкою математичних моделей для вирішення окремих задач з використанням нових інформаційних технологій на базі ЕОМ.

Мета і задачі дослідження.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності роботи дожимних компресорних станцій шляхом удосконалення технологічного режиму охолодження газомотокомпресорів завдяки інтенсифікації захисту від сольових відкладів при використанні стабілізаційної обробки води комплексоном гідроксиетилендифосфонато (-4-) цинк (ЦОЕДФ).

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

- аналіз теоретичних передумов для оцінки впливу температурного режиму системи водяного охолодження на параметри роботи газоперекачувального агрегату;

- виконання експериментальних досліджень для оцінки впливу температурного режиму системи водяного охолодження на ефективну потужність та продуктивність газоперекачувального агрегату і розробка методики для їх оцінки;

- розробка методики діагностики системи водяного охолодження на наявність сольових відкладів;

- розробка методики для визначення ефективної дози комплексона (ЦОЕДФ) для стабілізаційного режиму;

- експериментально-промислові дослідження “відмивочного” режиму комплексоном ЦОЕДФ від сольових відкладів у системі водяного охолодження дожимної компресорної станції;

- розробка ситуаційного керування захистом для забезпечення температурного режиму роботи системи охолодження при інтенсифікації захисту від сольових відкладів;

- застосування нових інформаційних технологій.

1. Сучасні уявлення про вплив на роботу газомотокомпресорів та дожимної компресорної станції в цілому температурного режиму роботи системи охолодження при наявності в ній сольових відкладів

Аналіз експлуатації роботи систем охолодження компресорних станцій показав, що порушення технологічного режиму охолодження газомотокомпресорів при наявності на теплообмінних поверхнях сольових відкладів призводить до перегріву частин та деталей агрегату і може спричинити його аварійну зупинку, а також приводить до зниження продуктивності роботи і збільшення витрат паливного газу агрегату.

Проведено аналіз стабілізаційних методів захисту від сольових відкладів, який показав, що широке впровадження на дожимних компресорних станціях найшов фосфорорганичний комплексон - гідроксиетилендіфосфонато (-4-) цинк (ЦОЕДФ). Головною його перевагою є можливість комбінованого захисту від сольових відкладів і корозії, низька токсичність при високих інгібіруючих властивостях, широкий діапазон застосовності в порівнянні з неорганічними поліфосфатами, можливість використання для відмивки від накипу системи охолодження.

Обґрунтовано актуальність інтенсифікації захисту системи водяного охолодження від сольових відкладів для підвищення ефективності роботи газомотокомпресорів дожимних компресорних станцій.

На основі аналізу публікацій вітчизняних і закордонних авторів визначено шляхи підвищення ефективності газомотокомпресорів, встановлено напрямки досліджень, сформульовано мету й основні задачі роботи.

2. Теоретичні основи процесів, що відбуваються у циліндрі компресорного агрегату, а також фактори, що впливають на продуктивність поршневого компресора

Встановлено, що температура води системи охолодження впливає на термодинамічні параметри роботи компресорного агрегату. При наявності сольових відкладів на сорочці охолодження газомотокомпресора зростає температура газу надійшовшого до циліндру, відповідно зменшуються його щільність та маса виходу газу.

Для оцінки впливу температурного режиму охолодження газоперекачувального агрегату запропонована методика, що дозволяє визначити зміну маси газу в циліндрі.

Отримана залежність для визначення зміни продуктивності газомотокомпресора:

(1)

де ДQ - зміна продуктивності компресорного агрегату, м3/год; т - маса газу в циліндрі компресорного агрегату при нормативному режимі роботи, кг; п - кількість обертів колінчастого вала, об/хв; z - кількість циліндрів, шт.; с - щільність газу при 0 оС і 760 мм рт.ст, кг/м3. V- об`єм газу в циліндрі, м3; Р - тиск газу на вході у циліндр, кг/м2; R - газова стала, кг м/ кг °К; Т - температура газу, °К; Z - коефіцієнт стиснення.

Для газомотокомпресора типу 10 ГКН встановлена залежність зміни продуктивності від температури охолоджувальної води.

Отримано математичну залежність зміни продуктивності компресора (ДQ) типу 10 ГКН від температури охолоджувальної води:

, (2)

де у - продуктивність компресорного агрегату, м3/год; х- температура охолоджувальної води на вході в сорочку охолодження агрегату, ?С.

Вірогідність отриманих результатів за залежністю (2) підтверджена дослідно-промисловими випробуваннями на газомотокомпресорах 10 ГКН Червонодонецької дожимної компресорної станції. Похибка розрахункових і дослідних даних становить 13 %.

Доведено вплив температурного режиму системи водяного охолодження на основні показники роботи двигуна компресора 10 ГКН. Запропоновано методику оцінки ефективної потужності при наявності сольових відкладів на теплообмінних поверхнях. Наявність сольових відкладів на стінках сорочці охолодження газомотокомпресора призводить до зростання температури стінок циліндра, верхнього днища поршня, кришки циліндра, внаслідок чого зменшується коефіцієнт надлишку повітря і наповнення, що приводить до зниження ефективного тиску двигуна і його ефективної потужності. Отримані результати за запропонованою методикою, які підтверджено дослідно-промисловими випробуваннями на газомотокомпресорах 10 ГКН Червонодонецької дожимної компресорної станції. Похибка розрахункових і дослідних даних становить 16 %.

3. Основні шляхи підтримки температурного режиму водяного охолодження газомотокомпресорів при використанні для захисту від сольових відкладів стабілізаційного метода обробки води

Визначені основні завдання інтенсифікації захисту від сольових відкладів системи водяного охолодження газомотокомпресорів при використанні комплексона гідроксиетилендіфосфонато (-4-) цинк (ЦОЕДФ).

До них входять:

- оцінка впливу температурного режиму водяного охолодження на продуктивність, ефективну потужність та витрати топливного газу газомотокомпресора;

- діагностика системи водяного охолодження на наявність сольових відкладів;

- визначення концентрації комплексона для підтримки стабілізаційного режиму, а також режиму "відмивки" від сольових відкладів;

- керування системою захисту від сольових відкладів теплообмінних поверхонь системи охолодження. З аналізу літературних даних, а також отриманих результатів досліджень що до застосування комплексона ЦОЕДФ на Червонодонецькій дожимній компресорній станції встановлено, що ефективна робота комплексона залежить від постійної підтримки його оптимальної концентрації в системі водяного охолодження.

З основних параметрів, що впливають на ефективність інгібірування, обрані карбонатна твердість, індекс насичення, вміст заліза у воді.

Для оцінки впливу карбонатної твердості, індексу насичення, вмісту заліза у воді використане рівняння множинної регресії, отримане методом Брандона.

Рівняння множинної регресії концентрації комплексона ЦОЕДФ залежно від обраних параметрів має вигляд:

= a ѓ1 (x1) ѓ2 (x2) ѓ3 (x3). (3)

Тут - концентрація комплексона ЦОЕДФ; a - коефіцієнт за методом Брандона; ѓ1 (x1) - функція величини карбонатної твердості; ѓ2 (x2) - функція величини індексу насичення; ѓ3 (x3) - функція величини вмісту заліза.

Рівняння множинної регресії для встановлення концентрації комплексона ЦОЕДФ має вигляд:

у=1,002 (0,1637х12 -0,9012 х1+1,8513) (-0,0061х2+1,0118) (0,0006х3+0,9971), (4)

Для вирішення завдання діагностування на наявність сольових відкладів розроблена методика визначення питомої кількості забруднення сольовими відкладами найбільш пошкоджуваного елемента водяної системи охолодження - теплообмінного апарата. Питому кількість забруднення визначали за рівнянням:

де - коефіцієнт теплопровідності (вт/м К) і пористість відкладів (%); с - щільність безпористої структури матеріалів відкладів для щільних аналогічних матеріалів (2400 кг/м3); kт, kо - поточний і початковий коефіцієнти теплопередачі, Вт/ м2·К.

Оброблено дані досліджень І.А. Бубликова, З.Л. Миропільського, Б. Е. Новикова, на підставі яких отримані математичні залежності для визначення коефіцієнта теплопровідності й пористості:

коефіцієнт теплопровідності

л= 0,0002 t2-0,0182 t + 0,5385; (6),

пористість

П= 0,0048 t2-0,8803 t + 46,804, (7)

де t - температура формування відкладів, що знаходиться в межах 20 - 110С.

Поточний коефіцієнт теплопередачі (km) для кожухотрубчастого теплообмінного апарату виведений з прийнятої моделі ідеального витіснення і має вигляд:

де Gг (х) - масова витрата гарячого (холодного) потоку, кг/сек; Срг (х) - теплоємкість гарячого (холодного) потоку, ккал/кг С; tк (п) - кінцева (початкова) температура води, °С; tг (х) - температура гарячого (холодного) потоку, °С; F- поверхня теплообміну, м2.

4. Технічні рішення для забезпечення температурного режиму роботи системи охолодження за рахунок інтенсифікації від сольових відкладів

Пропонується ситуаційне керування, яке дозволить приймати керівні рішення відповідно до ситуації в системі водяного охолодження.

Важливим аспектом ухвалення рішення і вироблення керуючих алгоритмів у системі керування є аналіз і класифікація ситуацій. Пропонована для класифікації ситуацій застосовувати теорію розпізнавання образів, що дозволяє досить просто сформулювати модель класифікатора ситуацій за безліччю ознак і встановити критерій вирішення задачі керування.

Обчислено коефіцієнти множинної кореляції параметрів, що впливають на захист від сольових відкладів при використанні комплексона ЦОЕДФ. За силою зв`язку між параметрами обрані основні для класифікації ситуацій: витрата і концентрація комплексона.

Як класифікатор застосовано детерміністський класифікатор, завдання якого зводиться до побудови вирішального правила, що дозволяє віднести “вхідний образ” до тієї чи іншої еталонної ситуації:

якщо , ,

де - відстань між кінцями векторів і ; - базові еталонні ситуації; - вектор вимірів.

Для визначення відстані між і використовуємо співвідношення:

, , (9)

де - -а компонента відповідно і ; - розмірність простору ознак.

Різні сполучення можливих змін основних ознак визначені векторами базових ситуацій, для яких розроблений алгоритм ситуаційного керування захистом системи водяного охолодження від сольових відкладів. Масив складає дев'ять базових ситуацій:

,

де Gк (max, cр, min) - витрата комплексона (максимальна, середня, мінімальна); Ск (max, ср, min) - концентрація комплексона (максимальна, середня, мінімальна).

Для них розроблені чотирнадцять алгоритмів ситуаційного керування, що визначають дії оператора-технолога.

Розрахункові алгоритми складені з використанням моделі класифікатора виробничих ситуацій, математичної залежності для визначення оптимальної концентрації комплексона, розрахунку термодинамічної досконалості теплообмінного апарату, методики діагностики системи на наявність сольових відкладів і загального розрахунку витрати комплексона, а також ефективності роботи газоперекачувального агрегату при експлуатаційному температурному режимі системи водяного охолодження.

Як інструментальний засіб для розробки програмного забезпечення пропонується використовувати SCADA - систему ТРЕЙС МОУД. Розробка системи інтенсифікації на базі даного програмного забезпечення дозволить перейти від часткових практичних рішень до загального завдання комплексної автоматизації забезпечення температурного режиму охолодження при інтенсифікації захисту від сольових відкладів системи водяного охолодження дожимних компресорних станцій.

Наведено техніко-економічну оцінку впровадження запропонованих технічних рішень. Економічний ефект від застосування розробленої системи на дожимних компресорних станціях складе 473,544 тис. грн.

Висновки

температурний газоперекачувальний комплексон ствбілізаційний

1. Для підвищення ефективності роботи дожимних компресорних станцій запропоновано системний підхід до проблеми забезпечення температурного режиму охолодження газомотокомпресорів за рахунок інтенсифікації захисту від сольових відкладів, що дозволяє:

- знизити енергетичні втрати на дожимних компресорних станціях;

підвищити надійність роботи системи водяного охолодження;

збільшити продуктивність і надійність газомотокомпресорів.

Теоретичний аналіз та експериментальні данні здійсненних досліджень на Червонодонецькій дожимній компресорній станції показали, що при наявності сольових відкладів в системі водяного охолодження, зокрема на сорочці охолодження газоперекачувального агрегату приводить до порушення температурного режиму охолодження, зміні індикаторних параметрів робочого процесу, зниженню продуктивності і збільшенню витрат паливного газу агрегату. Для захисту водяної системи охолодження ДКС від сольових відкладів обґрунтований і обраний найбільш перспективний стабілізаційний метод захисту від сольових відкладів фосфорорганичними комплексонами ОЕДФ і ЦОЕДФ головною перевагою, яких є можливість їх використання, як для стабілізаційного, так і для “відмивочного” режимів. На основі експлуатаційних даних встановлено, що основною причиною, яка перешкоджає широкому використанню комплексонів, є відсутність чіткої методики визначення ефективної концентрації комплексона для захисту від сольових відкладів, а також можливості керування стабілізаційним і “відмивочним” режимами.

Запропоновано методику оцінки впливу на продуктивність і потужність агрегату наявності сольових відкладів на теплообмінній поверхні системи охолодження газоперекачувального агрегату. За методикою проведена оцінка впливу сольових відкладів на показники роботи газомотокомпресорів 10 ГКН Червонодонецької ДКС.

Запропоновано комплекс заходів до інтенсифікації захисту від сольових відкладів для забезпечення технологічного температурного режиму роботи водяной системи охолодження газомотокомпресорів при використанні комплексонів ОЕДФ та ЦОЕДФ, який включає: діагностику системи охолодження, визначення концентрації комплексона для стабілізаційного та "відмивочного" режимів.

На основі експлуатаційних даних встановлено фактори, які впливають на зміну концентрації комплексонов ОЕДФ та ЦОЕДФ. За методом Брандона отримана математична залежність для визначення концентрації комплексона для стабілізаційного режиму.

6.Розроблено методику діагностики системи водяного охолодження ДКС на наявність сольових відкладів на поверхні теплообмінного апарата. Товщину сольових відкладів у теплообмінному апараті пропонується визначати за наступними параметрами: температурою входу і виходу з теплообмінного апарата води, площею поверхні теплообміну, пористістю і теплопровідністю сольових відкладів, коефіцієнтом теплопередачі стінки. Для очистки системи охолодження від сольових відкладів запропоновано і досліджено "відмивочний" режим.

7. Розроблені технічні рішення для забезпечення температурного режиму охолодження газомотокомпресорів при інтенсифікації захисту від сольових відкладів з використанням автоматизованої системи керування. Як принцип побудови системи керування обраний ситуаційний підхід. Проведено класифікацію виробничих ознак при використанні комплексона ЦОЕДФ у системі водяного охолодження, обрані параметри для визначення ознак ситуацій: витрата комплексона і його концентрація, температура охолоджувальної води “гарячого” циклу на вході й виході з теплообмінного апарата. Визначено ознаки ситуацій для захисту системи водяного охолодження комплексоном ЦОЕДФ.

Сформульовано математичну задачу класифікації при роботі системи водяного охолодження. Як класифікатор запропоновано детерміністський класифікатор, що працює за принципом “мінімальної відстані”. Розроблено алгоритм ситуаційного керування температурним режимом охолодження газомотокомпресорів при інтенсифікації захисту від сольових відкладів і її функціонально-структурну схему. Як інструментальний засіб для системи керування обране програмне забезпечення ТРЕЙС-МОУД.

9. Результати досліджень використані в системі водяного охолодження Червонодонецької ДКС і теплової мережі ЗАТ “Горлівськтепломережа”. Економічний ефект від упровадження запропонованих технічних рішень для підвищення ефективності роботи Червонодонецкої ДКС за рахунок забезпечення температурного режиму при інтенсифікації захисту від сольових відкладів складе 473,544 тис. грн., що підтверджує економічну доцільність використання даної системи.

Література

Гранкина В.В. Анализ причин повреждения элементов теплотехнических систем// Коммунальное хозяйство городов: Научн. - техн. сб. -К: Технiка, 2000.- Вып .25.- С.182 -186.

2. Гранкина В.В. Влияние эксплуатационных факторов на концентрацию ингибитора (ОЭДФЦ) в теплотехнических системах//Коммунальное хозяйство городов: Научн. - техн. сб. -К: Технiка, 2001.- Вып. 27.- С.75 -77.

Капцов И.И., Нубарян С.М., Гранкина В.В. К проблеме стабилизационной обработки систем охлаждения// Коммунальное хозяйство городов. Научн. - техн. сб: -К: Технiка, 2001.- Вып .30.- С.197 -199.

Гранкина В.В. Организация стабилизационной обработки воды комплексоном в системах охлаждения компрессорных станций// Коммунальное хозяйство городов: Научн. - техн. сб: -К: Технiка, 2002.- Вып .36.- С.271 -274.

Гранкина В.В., Капцов И.И., Нубарян С.М. Подходы к организации стабилизационной обработки воды комплексоном// Коммунальное хозяйство городов. Научн. - техн. сб: -К: Технiка, 2002.- Вып.38.- С.160 -164.

Капцов И.И., Гранкина В.В. Связь энергозатрат с наличием накипеобразования в системе охлаждения оборудования компрессорных станций магистральных газопроводов// Коммунальное хозяйство городов. Научн. - техн. сб. -К: Технiка, 2002.- Вып .45.- С.132 -136.

Гранкина В.В. Определение оптимальной концентрации комплексона ОЭДФ систем охлаждения// Вiсник Нацiонального технічного унiверситету “ХПI”. Тематичний випуск: Новi рiшення в сучасних технологiях. - Харкiв: НТУ “ ХПI ”. - 2002. - № 20. -С. 171-175.

Размещено на Allbest.ru