Конструкции аппаратов воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях

Для охлаждения потока транспортируемого газа наибольшее распространение на КС получили АВО, которые имеют ряд преимуществ перед другими типами теплообменных аппаратов: не требуют предварительной подготовки теплоносителей, надежны в эксплуатации, экологически чисты, имеют простые схемы подключения.

Аппараты воздушного охлаждения включают в себя следующие основные узлы и агрегаты: секции оребренных теплообменных труб различной длины (от 3 до 12 м), вентиляторы с электроприводом, диффузоры и жалюзи для регулировки производительности воздуха, несущие конструкции, в некоторых случаях механизмы регулиро­вания. Применяемые для охлаждения газа АВО имеют развитые наружные поверхности и характеризуются коэффициентом оребрения (это отношение площади наружной поверхности по оребрению к площади поверхности гладких труб ψ = Н_р/Н_тр). Коэффициенты оребрения применяемых аппаратов находятся в пределах от 7,8 до 21. Это связано с тем, что тепловой поток от газа к материалу трубы значительно выше, чем от наружной поверхно­сти к воздуху.

Оребрение поверхности может осуществляться различными способами: накаткой или навивкой ребер, напрессовкой пластин, на­моткой проволоки. Накатные ребра образуются выдавливанием при протяжке толстостенной заготовки между специальными роликами. Материалом в этом случае служат относительно мягкие металлы — медь, алюминий. Иногда применяются биметаллические трубы; в этом случае материал внутренней трубы выбирается в зависимости от условий эксплуатации, теплоносителя, его тепловых, физических и коррозионных свойств. Необходимо отметить, что при этом в ме­сте контакта двух труб возникает дополнительное термическое со­противление и, как показывают многочисленные исследования, тепловая эффективность их снижается на 10-20% по сравнению с монометаллическими трубами.

Навитые оребренные трубы изготовляют навивкой в основном алюминиевой лен ты на трубы, причем навивка может осуществляться с натягом ленты или в предварительно накатанную канавку глубиной до 0,5 мм и подвальцовкой основания ленты металлом несущей трубы для большей жесткости и уменьшения термического сопротивления.

Пластинчатое оребрение получают напрессовкой пластин раз­личной конфигурации на трубы, пайкой или сваркой (в основном ра­диаторы двигателей внутреннего сгорания). На рисунке5.1 показаны различные конструкции оребренных труб. На КС используются АВО из оребренных труб, получаемых накаткой, методом навивки алю­миниевой ленты с геометрическими размерами, приведенными в таблице 5.1.

Монометаллические трубы из алюминиевых сплавов применя­ются до давления 1,6 МПа; из углеродистых, нержавеющих спла­вов – практически на любые возможные давления в системе. Оребренные трубы собираются в пучки и могут иметь от 2 до 8 рядов труб. Пучки труб, образующие секции, выпускаются с различным числом ходов по трубному пространству (табл. 5.2). Ширина секций различных аппаратов составляет 1380 мм, а высота и длина зависят от числа рядов и длины труб. Они выпускаются на давления 0,6-6,4 МПа.

 

 

 

 

Рис. 5.1. Виды оребренных труб АВО.

  а – накатные монометаллические; б – накатные биметаллические;

  в – навитые в канавку; г – петельно-проволочные;

д – напрессованные пластинчатые; е – навитые с Г-образной лентой.

 

Таблица 5.1

Геометрические характеристики оребренных труб

 

Коэффициент Оребрения ψ	Размеры, мм
	dн	dтр	h	δ	t
14,6	56	28	14	0,85	3,0
9,0	49	28	10,5	0,85	3,5
7,8	62	42	10	0,95	3,5
22,0	57	25	16	0,33	2,5

 

Таблица 5.2

Число ходов по трубному пространству в зависимости от числа рядов труб

 

Тип аппарата	Число рядов/число ходов
АВМ АВГ АВЗ; АВЗ-Д	4/1; 2; 4 6/1; 2; 3; 6 8/1; 2; 4; 8 4/1; 2; 4; 8 6/1; 2; 4; 6 8/1; 2; 4; 8

 

Аппараты воздушного охлаждения малопоточные (АВМ) имеют одну секцию с длиной труб 1,5 или 3 м. Для получения характеристик аппаратов АВМ с длиной труб 3 м приведенные данные необходимо удвоить. Аппарат с длиной труб 1,5 м оборудуется одним вентилято­ром с колесом 0,8 м и электродвигателем мощностью 3 кВт, а с дли­ной труб 3 м – двумя.

Аппараты  воздушного охлаждения горизонтального типа (АВГ) выпускаются с длиной труб 4 и 8 м и коэффициентом оребрения 9 и 14,6. Они оборудуются одним вентилятором мощностью 40 кВт при длине труб 4 м и двумя вентиляторами при длине труб 8 м.

Наиболее перспективными аппаратами для охлаждения газа яв­ляются аппараты зигзагообразного типа (АВЗ), имеющие большие поверхности охлаждения (3500 Ö 10200 м), длину труб 6 м, мощ­ность вентиляторов 99 кВт. Характеристики перечисленных аппара­тов приведены в таблице 5.3 и 5.4.

 

 

Таблица 5.3

Характеристики аппаратов воздушного охлаждения газа

 

Тип аппарата	Число рядов труб	Поверхность теплообмена по оребрению, м2		Номинальная производительность вентилятора, 103 м3/ч
		ψ = 9	ψ = 14,6	ψ = 9	ψ = 14,6
АВМ     АВГ     АВЗ	4 6 8 4 6 8 4 6 8	105 160 210                   875 1320 1740                 3540                 5300             7000	150 225 300 1250 1870 2500 5000 7600 10200	24 21,7 19,8 250 230 210 320 310 300	21,7 19 16,5 230 210 180 305 290 280

 

 

Камеры секций теплообменных аппаратов выполняются разъ­емными и неразъемными. Разъемные камеры состоят из трубной ре­шетки, где крепятся оребренные теплообменные трубы, и крышки со штуцерами для подвода теплоносителя. Внутри крышки предусмат­риваются перегородки, уплотняемые прокладками в плоскости фланцевого соединения для обеспечения различного числа ходов ох­лаждаемой среды (газа, масла, воды), движущейся внутри трубного пространства. Во избежание высоких термических напряжений пе­репад температур одной крышки многоходовой секции не должен превышать 100°С. В верхней части крышек имеются воздушники, заглушенные резьбовыми пробками; в перегородках – отверстия для дренажа охлаждающей среды, а в нижней части – сливные отвер­стия, закрытые пробками.

Вентиляторы АВО представляют собой осевые машины, они имеют большую производительность но воздуху при малых гидрав­лических напорах. Окружная скорость вращения лопастей не превы­шает 62-65 м/с при диаметре вентилятора от 0,8 до 7,0 м. Лопасти изготавливаются штамповкой и сваркой, колесо имеет от 3 до 8 ло­пастей, поворотных и неповоротных. Расход воздуха зависит от числа труб в секциях, коэффициента оребрения, технологических факто­ров, расположения труб в секциях и др. В связи с этим аэродинами­ческие характеристики вентилятора могут быть получены только опытным путем, после продувки секций. Аэродинамические харак­теристики вентиляторов различных типов теплообменных аппара­тов представляют собой зависимость d р =/(V, а) для каждой секции с определенным числом рядов труб и приводятся в справочной литературе, например [3,11,13,22,23].

 

Таблица 5.4

Характеристики аппаратов воздушного охлаждения газа

 

Показатели	Тип аппарата
	2АВГ-75с	АВЗ	Крезо-Луар	Ничимен	Хадсон
1	2	3	4	5	6
Поверхность аппарата, м2: -по оребренным трубам -по гладким трубам	9930 -	7500 510	9360 441,2	10956 511,53	10793 509,3
Производительность вентиляторов, ×103 м3/ч	820	540	600	672.4	564,5
Количество вентиляторов, шт.	2	1	2	2	2
Мощность вентиляторов, кВт	73,2	100 43	59	50.8	44
Размеры труб: -длина, м -диаметр внутрешшй, мм -диаметр наружный мм -диаметр орсбренкя. мм	12 21 25 57	8 22 28 56	10.0 21.2 26,4 57	10,97 21,2 25.4 57	11.2 21.0 25.4 57
Число ребер на 1 м длины трубы, шт.	400	394	394	433	433
Ребро: -толщина, мм -высота. мм	0,6 12	0,85 14	0,49 15.8	0.45 15.8	0.6 16
Число труб (в секции/ в аппарате), шт.	177 354	164 9S4	276 552	297 594	297 594
Коэффициент оребрения	20	14,6	2I,2	21,4	21,1
Число рядов	6	6	6	6	6
Число ходов	1	1	1	1	1
Площадь поперечного сечения, м2	0,186	0,341	0,196	0,218	0,205

 

 

Привод вентиляторов АВО отечественного изготовления осуще­ствляется электродвигателями разной мощности непосредственно от двигателя (диаметр колеса 0,8 м) или через угловой редуктор. Вен­тиляторы диаметром 5,0 м приводятся во вращение либо через специальный редуктор с гипоидным зацеплением, либо от специаль­ного низкооборотного электродвигателя. Производительность вен­тилятора меняют поворотом лопастей; это можно сделать вручную, пневматически, электромеханически или изменением скорости вра­щения двигателя либо применением гидродинамических муфт. В настоящее время АВО в основном имеет ручную регулировку произво­дительности вентилятора, что создает трудности при поддержании по­стоянных выходных параметров в годовом цикле эксплуатации.

Для поддержания в зимний период постоянной температуры ох­лаждаемой среды осуществляется перепуск воздуха с помощью сис­тем воздуховодов и жалюзи. Для запуска турбины, когда масло не прогрелось, АВО комплектуют подогревателями воздуха, располо­женными под секциями труб. При эксплуатации АВО в зоне повы­шенных температур наружного воздуха для расширения диапазона температур применяется увлажнение воздуха, для чего в АВО обору­дована система увлажнения с форсунками. Вода, поступающая в си­стему увлажнения, по рекомендации ВНИИнефтемаша должна отвечать следующим требованиям: ионов железа и ионов меди не бо­лее 0,3 мг/л, щелочных сульфидов не более 500 мг/л, общая жест­кость 0,5 мг-экв/л, взвеси твердых веществ не допускаются.

Конструктивное оформление АВО зависит от взаимного распо­ложения секций и вентилятора (рис. 5.2). Как видно из рисунка 5.2, теплообменные секции могут располагаться горизонтально, наклонно и зигзагообразно, в результате чего получают раз­личные компоновки АВО. Наиболее применимым является аппарат с горизонтальным расположением секций; это упрощает монтажно-ремонтные работы, обеспечивает более равномерное распределение воздуха по секциям, однако они занимают большую площадь на КС магистральных газопроводов. Аппараты с вертикальным расположе­нием секций практически не используются на КС, так как тепловая эффективность их в значительной степени зависит от скорости, на­правления ветра, кроме того, в этих аппаратах неравномерная загруз­ка подшипников вентилятора.

Для сокращения площади размещения теплообменного обору­дования, обеспечения вращения вентилятора в горизонтальной плоскости применяются аппараты шатрового типа. Наиболее перс­пективной является схема аппарата с зигзагообразным расположе­нием секций: она сокращает площади, необходимые для размещения аппаратов, обеспечивает горизонтальное размещение вентилятора, легкость монтажа и обслуживания. Вентиляторы могут устанавли­ваться как на всасывание, так и на нагнетание. Наиболее применима работа вентилятора на нагнетание в аппаратах горизонтального и зигзагообразного типа

 

 

Рис. 5.2. Компоновка секций в теплообменных аппаратах воздушного охлаждения.

а-зигзагообразная, б-горизонтальная, в-шатровая

 

 

Методика расчета АВО газа

 

Алгоритм методики, рассмотренный в данной работе позволяет рассчитывать температуру охлаждения газа в УОГ при различных режимах работы отдельных АВО в установке, а также оптимизировать режим работы АВО при минимальных затратах электроэнергии на охлаждения газа и потребляемого количества топливного газа на следующей КС.

Разработанную методику можно разбить на четыре блока: расчет АВО, расчет линейного участка, расчет компрессорного цеха, оптимизационный расчет. В данном пособии приводится только первая часть общей методики, т.к. это соответствует цели пособия-изучить методы расчетов теплообменной аппаратуры. Другие части методики приведены в курсе лекций и учебной литературе по дисциплине «Сбор, подготовка, транспортировка и хранение нефти и газа».