Устройство, назначение и принцип действия рекуператоров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа на тему

«Устройство, назначение и принцип действия рекуператоров»

Выполнил: студент группы

ТА-10-5 Гончаров Н. И.

Проверил: Антипов Б.Н.

Москва 2014

Единая система газоснабжения страны

ЕСГ России является крупнейшим в мире уникальным централизованно управляемым технoлогическим комплексом, включающим в себя объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа.

1. ЕСГ обеспечивает непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя.

2. Благодаря централизованному управлению, большой разветвленности и наличию параллельных маршрутов транспортировки, ЕСГ обладает существенным запасом надежности и способна обеспечивать бесперебойные поставки газа.

3. Газотранспортная система России обеспечивает поставки газа от месторождений до потребителей.

4. ГТС страны включает сеть магистральных газопроводов и подземные хранилища газа (ПХГ).

5. Протяженность магистральных газопроводов на середину 2012 г. в границах России составляет более 164,7 тыс. км.

6. Работу ГТС обеспечивает более 280 компрессорных станций, включающих в себя свыше 750 компрессорных цехов с более чем 4100 установленных в них газоперекачивающих агрегатов.

7. На территории Российской Федерации расположены 25 подземных хранилищ с суммарной активной емкостью 65,2 млрд. куб. м.

Состояние ГТС страны

Значительный износ используемого газотранспортного оборудования:

1. по состоянию на начало 2009 года срок эксплуатации около 30 % газопроводов составил более 30 лет;

2. свыше 60 % МГ эксплуатируется более 21 года;

3. средний возраст магистральных газопроводов составляет приблизительно 26 лет.

4. Существенный износ энерготехнологического оборудования основных объектов МГ привел к снижению производительности ГТС по сравнению с проектным значением приблизительно на
10 - 12 %.

Величина средних удельных энергетических затрат на российских газопроводах примерно на 50 ч 70 % превышает эти затраты на ряде зарубежных газопроводов, что указывает на существенный ресурс энергосбережения.

Основные энерготехнологические задачи магистрального транспорта природного газа

1. оптимизация и рациональное регулирование режимов работы технологических участков газопроводов и основных объектов и систем, входящих в них, с применением современных оптимизационных программно-вычислительных комплексов;

2. энергетически рациональное распределение нагрузки между КС технологических участков МГ;

3. определение энергетической целесообразности отключения компрессорных цехов и КС при недозагрузке технологических участков МГ;

4. мероприятия по техническому обслуживанию и ремонту оборудования КС и линейных участков МГ на основе реализации системы технической диагностики;

5. разработка и реализация методов утилизации теплоты отработавших продуктов сгорания ГТУ;

6. использование перемычек между нитками многониточных газопроводов;

7. использование перемычек между цеховыми системами КС и т.д.

Состав установки импульсного газа

В состав установки импульсного газа в общем случае входят следующие блоки:

Блок осушки и хранения импульсного газа предназначен для осушки импульсного газа до точки росы по влаге - 55°С при рабочем давлении, а также для накопления импульсного газа в ресивере, и выдаче по мере необходимости для управления пневмоприводной арматурой КС. Разработаны и изготавливаются блоки осушки и хранения импульсного газа с огневым и электрическим подогревом газа регенерации.

В блоках предусмотрено местное и дистанционное измерение технологических параметров. Управление оборудованием установки осуществляется от станционной системы автоматического управления и регулирования.

Блок очистки газа предназначен для очистки газа на входе установки подготовки топливного, пускового и импульсного газа от жидкости и механических примесей. Блок состоит из 2 технологических линий (основной и резервной), в каждую из которых входит фильтр-сепаратор, трубопроводы с запорной и регулирующей арматурой и контрольно-измерительные приборы.

Блок подогревателя импульсного газа включает подогреватель с промежуточным теплоносителем, необходимый для работы КС в пусковой период. Дополнительно с целью обеспечения установки газом регенерации (t=300°C) в подогревателях предусмотрен теплообменник "газ-газ" Ру=10МПа, который используется вместе с блоком подогревателя газа.

Далее трубопровод импульсного газа объединяется в общий коллектор и поступает на узел подготовки импульсного газа (УПИГ), где происходит его очистка и осушка.

В состав УПИГ входит следующее оборудование: фильтр-сепараторы, адсорберы, огневой подогреватель, газовый ресивер, запорная арматура, контрольно-измерительные приборы, трубопроводы и гибкие резиновые шланги.

Как правило, из двух адсорберов в рабочем режиме поглощения влаги находится один. Другой адсорбер находится в режиме восстановления адсорбента. Восстановление осуществляется путем пропускания части подогретого до высокой температуры газа (около 300 °С) через увлажненный адсорберт. Дело в том, что при достижении предельной влажности, селикагель теряет способность дальнейшего поглощения влаги и для возобновления его адсорбционных свойств через него пропускают горячий теплоноситель. Осушку селикагеля проводят один раз в 2-3 месяца. Для подогрева газа используется огневой подогреватель. Цикл регенерации селикагеля длится примерно 4-6 ч, цикл охлаждения 2-4 ч.

При эксплуатации УПИГ с помощью контрольно-измерительных приборов осуществляется контроль за давлением и температурой газа, его расходом и точкой росы, которая должна составлять - 25 °С.

Введение

В настоящее время газотранспортная система страны сталкивается с множеством проблем. Одной из важнейших является проблема энергосбережения. В газовой промышленности имеется множество задач для усовершенствования процесса транспортировки газа, приоритетной является уменьшение использования топливного газа необходимого для запуска и работы ГПА. Одним из способов решения этой проблемы является установка на газоперекачивающих аппаратах теплообменных аппаратов, которые далее будем называть рекуператор.

Общие сведения

Теплообменными аппаратами (ТА) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

Все теплообменные аппараты по способу передачи теплоты могут быть разделены на две большие группы: поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах теплоносители отделены друг от друга твердой стенкой (такие аппараты называются рекуперативными), либо поочередно контактируют с одной и той же стенкой (такие аппараты называются регенеративными).

По конструктивному оформлению рекуперативные теплообменные аппараты можно классифицировать следующим образом:

- трубчатые;

- трубчато-ребристные;

- пластинчатые;

- пластинчато-ребристые;

- трубчато-пластинчатые.

Рекуператор (воздухоподогреватель или регенератор) представляет собой теплообменный аппарат для повышения температуры воздуха, поступающего после ОК в камеру сгорания (КС), и тем самым снижения расхода топливного газа по агрегату.

Устройство и принцип работы

Рассмотрим принципиальную схему компоновки ГПА с линиями движения газа и масла.

Рис. 2.25 Принципиальная схема компоновки ГПА: 1 - воздухозаборная камера (ВЗК); 2 - турбодетандер; 3 - осевой компрессор, 4 - турбина высокого давления (ТВД); 5 - турбина низкого давления (ТНД); 6 - нагнетатель; 7 - технологические краны обвязки агрегата; 8 - рекуператор; 9 - камера сгорания; 10 - блок подготовки топливного, пускового и импульсного газа; 11 - аппарат воздушного охлаждения масла. - воздух до осевого компрессора; - воздух до рекуператора; - воздух после рекуператора; - выхлопные газы; - пусковой газ; - топливный газ; - импульсный газ; - технологический газ; - масло.

Рабочий процесс установки с регенерацией теплоты отходящих газов осуществляется следующим образом: атмосферный воздух после прохождения системы фильтров (на схеме они не показаны) и сжатия в осевом компрессоре (К) поступает в воздухоподогреватель (регенератор) (Р), где за счет использования теплоты отходящих из турбины газов его температура повышается на 200-250 °С. После регенератора сжатый воздух поступает в камеру сгорания (КС), куда одновременно извне подводится топливный газ. В результате сжигания топлива температура образовавшихся продуктов сгорания перед газовой турбиной высокого давления (ТВД) доводится до величины, обусловленной жаростойкостью дисков и лопаток турбины. После расширения в газовой турбине продукты сгорания проходят регенератор, в котором они частично охлаждаются, отдавая часть теплоты воздуху, идущему из осевого компрессора в камеру сгорания, и затем через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.

Рассмотрим схему и процессы двухвального ГТУ регенеративного типа.

Рис. 1 ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов

Сверху, рис. 1 показаны процессы, характеризующие образование цикла ГТУ в координатах P-V и T-S. На этих графиках процесс 1-2 - характеризует сжатие в осевом компрессоре; 2-3 - процесс подвода теплоты в регенераторе и камере сгорания; 3-4 - процесс расширения рабочего тела в газовой турбине; 4-1- процесс выхлопа рабочего тела в атмосферу. Здесь же приведен цикл ГТУ и в координатах Т-S. Штриховыми линиями 1-2' и 3-4' отмечены соответственно реальные процессы сжатия и расширения рабочего тела в цикле, линиями 1-2 и 3-4 - процессы сжатия и расширения в идеальном цикле ГТУ.

Коэффициент полезного действия установок с регенерацией теплоты отходящих газов при существующих параметрах цикла может достигать величины 32-35%, что во всех случаях при тех же параметрах цикла на 4-5% больше, чем в установках без регенерации теплоты отходящих газов.

Рис. 2 Воздухоподогреватель (регенератор) пластинчатого типа: 1 - теплообменные поверхности; 2 - ребра; 3 - коллектор; 4 - опора

В настоящее время около тысячи агрегатов, в основном мощностью 6 и 10 МВт, эксплуатируются в ОАО "Газпром" с пластинчатыми регенераторами теплоты (рис. 2). Однако необходимо отметить, что эти пластинчатые регенераторы имеют ряд конструктивных и технологических недоработок, которые после нескольких десятков пусков и остановок ГТУ начинают сказываться на потере герметичности регенератора. В результате регенератор теряет свои показатели, падает степень регенерации, а следовательно и ухудшаются характеристики ГТУ. В настоящий момент на смену им приходят трубчатые и термопластинчатые регенераторы.

Установлено, что пластинчатые теплообменники, которыми оснащены регенеративные агрегаты (более 30 % газотурбинного парка) не обладают ресурсом, равным ресурсу ГПА. Фактически после 40 тыс. ч наработки они имеют утечки циклового воздуха свыше 5-10 %, делающие агрегат практически неработоспособным. Мощность ГТУ снижается на 30-50 % по сравнению с проектной. Опыт ремонта пластинчатых воздухоподогревателей (ВП) путем заварки трещин показал, что эффект от ремонта сохраняется не более, чем на 1000-1500 ч; причем полностью устранить утечки даже на этот период не удается. В связи с этим основным направлением модернизации является замена пластинчатых ВП более надежными трубчатыми.

Рис. 3 Воздухоподогреватель (регенератор) трубчатого типа: 1 - трубчатый пучок; 2 - трубная доска; 3 - разделительная трубная доска; 4 - камера продуктов сгорания; 5 - коллектор; 6 - опора

Трубчатые имеют существенно большие массу и габариты, чем пластинчатые. Однако они менее чувствительны к термическим нагрузкам, возникающим при пуске, останове и переходных режимах работы ГТУ, а также способны обеспечить надежную работу ВПТ при высоких температурах и давлениях рабочих сред.

Общие расчётные соотношения

Действительные конечные температуры теплоносителей рассчитываются по формулам:

«прямоток»

газ газотранспортный теплоноситель температура

«противоток»

где - коэффициент теплопередачи для плоской стенки; - водяные эквиваленты теплоносителей, ; - удельные теплоемкости теплоносителей, ; - массовые расходы теплоносителей, ; - теплопередающая поверхность, .

Проблемы и предложения

1. Как говорилось выше, одной из проблем пластинчатых регенераторов (рекуператоров) является то что, со временем они теряют свою герметичность, следственно усовершенствовав технологию сварки эту проблему можно решить. Тогда сварные швы будут более длительный срок сохранять свою герметичность. Также решением этой проблемы может стать использование более «выносливых» сталей, которые бы при сварке по максимуму сохраняли свои свойства.

2. Также можно увеличить эффективность рекуператоров путем увеличения поверхности теплообмена (увеличение количества трубчатых пучков, или пластин) и путем увеличения коэффициента теплопередачи, за счет использования других материалов.

3. На практике при эксплуатации рекуператоров трубчатого типа есть проблема засорения полости трубчатых пучков. Так как продукты сгорания насыщены смолами и примесями различных веществ, и вследствие этого трубчатые пучки не только засоряются, но и в отдельных случаях могут полностью закупориваться, что приводит к серьезным проблемам. В рис.3 воздух проходит в полости между труб. Я думаю, что если поменять местами продукты сгорания и воздух, т.е. чтобы воздух проходил через трубчатый пучок, а продукты сгорания внутри полости, то это могло бы не только решить проблему, но и улучшить эффективность рекуператора. В этом случае продукты сгорания нагревали бы полностью всю полость регенератора, что увеличивало бы общую температуру, а воздух, так как проходил предварительную очистку не засорял бы трубные пучки.

4. За счет применения более тонких стальных пластин или труб малых диаметров, можно увеличить теплопередачу и, следовательно, степень регенерации.

Выводы

Регенераторы экономически эффективно устанавливать на компрессорных станциях, где загрузка по времени работы составляет не менее 80 %. Чисто конструктивно такие ГТУ имеют низкую степень сжатия за осевым компрессором и вследствие этого получается значительная разница температуры воздуха за осевым компрессором и температуры отработанных газов, что обеспечивает высокий коэффициент регенерации теплоты в ГТУ.

Тем не менее, регенерация теплоты отходящих газов с использованием герметичных регенераторов (в частности, трубчатых) остается одним из наиболее доступных и термодинамически эффективных способов повышения экономичности ГТУ в эксплуатационных условиях, когда одним из главных направлений по дальнейшему совершенствованию газотранспортной системы страны является разработка и использование ресурсоэнергосберегающих технологий при транспорте природных газов.

О целесообразности использования регенеративных ГТУ на КС свидетельствует и тот факт, что в последние годы отмечены случаи перевода ряда эксплуатируемых безрегенеративных установок типов ГТК-10И и ГТК-25И на работу по регенеративному циклу с использованием для этого регенераторов трубчатого типа (рис. 3).

Вопрос о целесообразности применения регенеративных ГТУ на газопроводах должен решаться на основе термодинамических и основанных на них технико-экономических расчетах с учетом накопленного опыта эксплуатации установок подобного типа и для каждой конкретной станции индивидуально, исходя из цены на энергоносители.

Размещено на Allbest.ru