Энергоэффективное управление магистральным транспортом и распределением природного газа является одним из приоритетных направлений устойчивого развития и оптимизации затрат в газовой промышленности [1, 2]. В настоящее время на газотранспортных предприятиях ОАО «Газпром» уделяют серьезное внимание проблемам рационального использования природного газа на собственные технологические нужды при соблюдении условий обеспечения промышленной безопасности и оптимального управления газотранспортной системой, повышения энергетической эффективности производственных процессов.
В статье затронута актуальная проблема ресурсо- и энергосбережения в системе транспорта и распределения природного газа и предложен способ ее решения, основанный на внедрении энергоразделяющего устройства (ЭУ) в узел редуцирования газораспределительной станции (ГРС).
При редуцировании давления газа на ГРС, за счёт эффекта Джоуля – Томпсона, происходит существенное падение температуры газа. Это в свою очередь приводит к образованию конденсата в виде газогидратов, обмерзанию регулирующих клапанов, запорной арматуры, приборов и трубопроводов.
Основными факторами, определяющими условия образования гидратов в газопроводах, являются состав транспортируемого газа, его давление, температура, полное насыщение газа парами воды.
Чаще всего закупорка газопровода может происходить в зимний период в связи со значительным охлаждением движущегося в трубопроводе газового потока. Образование гидратов может иметь место на всех газопроводах, за исключением транспортирующих газ с точкой росы паров воды ниже минимальной рабочей температуры [3].
Отлагаясь на внутренних стенках труб и оборудовании, гидраты резко уменьшают их пропускную способность и могут привести к аварийной остановке эксплуатации газопровода. Затраты нефтегазовых компаний на предупреждение и борьбу с газогидратными пробками составляют значительную часть стоимости транспорта и распределения газа.
Объектом исследования является система, в которой происходит снижение давления природного газа с обязательным подогревом для предотвращения гидратообразования.
К традиционным методам борьбы с гидратообразованием на ГРС относят: общий или частичный подогрев газа, локальный подогрев корпуса регуляторов давления (РД), ввод метанола в газопровод (рис. 1). Все они требуют либо значительных капиталовложений, либо затрат ресурсов: газа на сжигание, электроэнергии для местного обогрева, метанола.
РИС. 1. Схема общего подогрева газа на ГРС
Согласно нормативной документации компании «Газпром», узел подогрева газа должен обеспечивать температуру газа на выходе из ГРС не ниже минус 10 °С (на пучнистых грунтах не ниже 0 °С). Для этого на ГРС устанавливают специальные котлы подогреватели, работа которых приводит к усложнению технологической схемы ГРС, расходу части транспортируемого газа в качестве топлива и выбросам продуктов сгорания в атмосферу.
В целях минимизации себестоимости транспорта газа, актуальной задачей является разработка новых способов осуществления подогрева газа при редуцировании, отвечающих требованиям энергосбережения.
Одним из решений является внедрение альтернативных источников, использующих энергию ветра, воды, солнца и др. Однако эффективность данных методов сильно зависит от природно-климатических условий.
Для предотвращения обмерзания газового оборудования и подогрева газа предлагается внедрение установок безмашинного энергоразделения. Под термином «энергоразделение» или «безмашинное энергоразделение» понимается перераспределение полной энтальпии (температуры торможения) в потоке газа без совершения им внешней работы и при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Причины, вызывающие энергоразделение потока, могут быть различными. В некоторых случаях это вихревые течения, в других – пульсации давления и ударные волны [4]. Данные эффекты легли в основу устройств для энергоразделения газов.
Анализ существующих способов энергоразделения
Имеется множество разновидностей энергоразделяющих устройств, основанных на различных эффектах. Среди них можно выделить: вихревые трубы Ранка – Хилша, эжекция с отрицательным коэффициентом эжекции, устройство энергоразделения с фазовым переходом, пульсационные трубы, энергоразделение в потоках газа при обтекании различных преград и в свободно истекающей струе газа.
ЭУ многофункциональны в своём применении. При различной конструкции возможно получение как сверхнизких, так и сверхвысоких температур. Отличительной особенностью данных аппаратов является их простота, отсутствие движущихся частей, низкая инерционность, малый вес и надежность конструкций [4].
Физическая сложность и малоизученность процессов энергоразделения газа и в то же время их широкое проявление в тех случаях, где встречаются высокоскоростные потоки газа, например при эксплуатации летательных аппаратов или в магистральном транспорте газа, являются причинами для исследования ЭУ на предмет их практического энергоэффективного применения. Анализ научно-технической литературы и патентных документов позволяет предположить, что ЭУ будут являться альтернативой современным установкам нагрева и охлаждения газа.
Применительно для условий работы ГРС можно выделить следующие способы энергоразделения:
1) температурная стратификация в сверхзвуковом потоке;
2) вихревой эффект Ранка – Хилша;
3) эффект Гартмана – Шпренгера (Г-Ш).
На эффекте разности между адиабатной температурой стенки и температурой торможения основан способ температурной стратификации в сверхзвуковом потоке газа, предложенный А.И. Леонтьевым [5] (рис. 2).
РИС. 2. Схема температурной стратификации в сверхзвуковом потоке газа
Авторами [6] разработано устройство энергоразделения в магистральном трубопроводе при организации сверхзвукового потока газа во внутреннем или внешнем канале. Газовый поток с повышенным давлением разделяется на две части: один из потоков разгоняется при геометрическом воздействии в сопле Лаваля до сверхзвуковой скорости (рис. 3), а другой дозвуковой высоконапорный поток направляется с противоположной стороны от разделяющей потоки стенки. В результате взаимодействия через теплопроводную стенку на выходе из устройства образуется подогретый сверхзвуковой поток и охлажденный дозвуковой. Температура дозвукового потока снижается, давление падает незначительно. Сверхзвуковой поток дросселируется, температура повышается малосущественно. УЭ сверхзвуковой температурной стратификации не позволяет получить нагрев на температуру выше первоначальной.
РИС. 3. Устройство энергоразделения в магистральном трубопроводе при организации сверхзвукового потока во внутреннем канале
Недостатками данной технологии являются:
-
необходимость поддержания сверхзвуковой скорости потока газа;
-
охлаждаемый дозвуковой поток направляется обратно в МГ. Данная технология оказывает влияние на работу не только ГРС, но и магистрали в целом.
Суть вихревого эффекта заключается в разделении газа при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре – закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. На рис. 4 представлена одна из возможных конструкций вихревой трубы [7].
РИС. 4. Схема вихревой трубы Ранка – Хилша противоточной компоновки
На основе вихревого эффекта известно устройство, производимое ПАО «Завод «Старорусприбор», – регулятор давления газа РДУ-Т с теплогенератором. Энергоразделение осуществляется за счёт наличия вихревой трубы Ранка – Хилша [8]. Холодная составляющая отводится и сбрасывается в задний фланец регулятора, что помогает за 6–8 минут нагреть теплогенератор до температуры +40–50 °С. Температура нагрева теплогенератора достаточна для предотвращения обмерзания запорно-регулирующего устройства.
Несмотря на такое достоинство, как возможность осуществления нескольких процессов одновременно (охлаждение, нагрев, фазоотделение), данное устройство имеет относительно низкую энергетическую эффективность [9].
Первые исследования в области резонансных акустических колебаний связаны с экспериментами датского ученого Юлия Гартмана, который в начале 20-го века открыл аэроакустический эффект. Этот эффект состоит в том, что при помещении полой трубки в сверхзвуковую струю, вытекающую в атмосферу при избыточном или недостаточном давлении, взаимодействие струйного потока с преградой может происходить в нестационарном (автоколебательном) режиме и сопровождаться мощным акустическим излучением в окружающую среду [10].
Очень важным было открытие Х. Шпренгером в 1954 г. аэротермоакустического эффекта, который состоит в резком повышении температуры на дне трубки под воздействием периодической системы ударных волн, распространяющихся по резонатору. В отличие от предыдущих исследователей Шпренгер использовал трубку большей длины (lт/d = 34, тогда как у Гартмана размеры трубки составляли lт/d< 4). В его опытах температура стенки более чем в два раза превысила начальную температуру газа [10].
В основе эффекта энергоразделения Гартмана – Шпренгера положен принцип аэродинамического резонанса и термического энергоразделения при нелинейных колебаниях газа в заглушенной с одного конца трубе. Схема протекания газа внутри полости представлена на рисунке 5 [11].
В основе эффекта энергоразделения Гартмана – Шпренгера положен принцип аэродинамического резонанса и термического энергоразделения при нелинейных колебаниях газа в заглушенной с одного конца трубе. Схема протекания газа внутри полости представлена на рисунке 5 [11].
РИС. 5. Течение газа внутри заглушенной полости
Эффект Гартмана – Шпренгера заключается в следующем: обрывы струи высокоскоростного потока газа на входе в заглушенную полость вызывают пульсации давления, волны которых распространяются в сторону тупика, отражаются и движутся в обратном направлении, входя с последующими волнами в резонанс с резким повышением температуры. Внутри заглушенной трубки возможно создание температур до нескольких сотен градусов. При этом поток газа теряет энергию и на выход из установки поступает охлажденным.
В случае образования колебаний из-за обрывов потока у входа в заглушенную полость без применения искусственных пульсаторов (например, поршней), частота колебаний давления будет зависеть только от длины полости (lт) и от скорости звука в среде (с) и составит f=с/2lт.Частота в резонансе будет вдвое меньше, так как при отражении от открытого конца волна меняет знак, и вместо отраженной ударной волны по трубе пройдет волна разрежения. Поэтому теоретическая частота колебаний в резонансе равна:
fтеор=с/4lт. (1)
Наличие ударных волн в полости, помещенной в дозвуковой поток, зафиксировано в работе [12] при стробоскопических наблюдениях с использованием искрового источника света.
Эффект Г-Ш ранее не рассматривался как способ подогрева газа на ГРС. Известны следующие его применения:
-
в авиастроении, как нагревательный элемент противообледенительной системы в воздухозаборнике летательного аппарата;
-
газодинамический воспламенитель для безыскрового поджога горючих газов;
-
устройства пульсационного воздействия на призабойную зону пласта;
-
роторный волновой криогенератор для малотоннажного производства сжиженного природного газа [13].
В газотранспортной системе эффект Г-Ш встречался только в качестве негативного. В работе [14] рассмотрены случаи нагрева отдельных элементов обвязки крановых узлов при заполнении участков магистрального газопровода с сопутствующим оплавлением наружной изоляции, выделением едкого дыма и потерей герметичности запорно-регулирующей арматуры. В некоторых случаях отмечалось, что «разогрев происходит до покраснения железа стояка отбора импульсного газа» (имеется ввиду новый крановый узел, на котором стояк отбора импульсного газа еще не был покрыт изоляционным покрытием). Автором [14] предложены способы устранения эффекта нагрева.
В работе [14] приводятся результаты экспериментальных исследований по нагреву газа при редуцировании через генератор Гартмана. При длине резонатора 100 мм максимальное изменение температуры на выходе из установки составило около 11 °С, при утилизации давления в 0,6 МПа. Автором была оценена возможная максимальная температура смеси за резонатором. При показателе адиабаты k = 1,4 и отношении давлений на входе и выходе p0/p = 50 отношение температуры смеси и первоначальной Тс/Т0 не превысит 1,42.
Исходя из вышеописанного, можно сделать вывод, что из рассмотренных способов энергоразделения наиболее эффективным для осуществления подогрева газа на ГРС является резонансный эффект Гартмана – Шпренгера.
Численное моделирование резонансного подогрева газа в ANSYS FLUENT
Моделирование эффекта резонансного энергоразделения является сложной математической задачей, требующей больших вычислительных ресурсов и времени. Построена 2D-модель в упрощённом виде для предоставления качественного описания процессов энергоразделения в заглушенной полости.
Моделирование осуществляется в программном комплексе ANSYS FLUENT. Геометрия модели представлена на рисунке 6.
РИС. 6. Расчётная схема для моделирования
В качестве газовой среды принимается воздух, описываемый законом реального газа Редлих – Квонга (Redlich – Kwong) [15]. Имитируя вращение вала, на входе задаётся скорость по синусоидальному закону с амплитудой в 200 м/c и частотой равной
температура 300 К.
На входе задается давление 7,5 МПА, на выходе – избыточное давление равное 0,59 МПа. Для определения начальных условий задача решается в стационарной постановке. Для этого была выбрана модель турбулентности Ментера – переноса сдвиговых напряжений SST. Расчёт выполнен на основе DES-модели турбулентности с временным шагом 5∙10-6 с. Визуализация результатов моделирования представлена на рисунке 7.
РИС. 7. Результаты моделирования
Изменение температуры на выходе представлено на рисунке 8.
РИС.8. Температура на выходе
Температура на выходе из устройства составила 304–305 K. Таким образом, для данных условий моделирования был получен нагрев смеси на выходе на 4–5 К.
Заключение
Анализ существующих способов энергоразделения и результаты численного моделирования позволяют говорить об эффективности работы ЭУ резонансного типа. Существующие ЭУ сверхзвуковой температурной стратификации и регуляторы давления с вихревым теплогенератором позволяют регулировать температурный режим процесса редуцирования газа, затрачивая при этом только его энергию. Но ЭУ сверхзвуковой температурной стратификации не обеспечивает нагрев до температуры выше первоначальной. Регуляторы давления с теплогенератором показали свою эффективность на нескольких ГРС в России, однако данные типы устройств обладают низким КПД, так как холодные и горячие потоки внутри вихревой трубы имеют зону контакта.
Внедрение ЭУ в узел редуцирования ГРС позволит частично или полностью исключить получение тепловой энергии на газораспределительных станциях сжиганием газа.
Литература
1. Концепция энергосбережения и повышения энергетической эффективности ОАО «Газпром» на период 2011–2020 гг. (утв. приказом ОАО «Газпром» от 28.12.2010 № 364).
2. Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности: Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013). – 2013. – 52 c.
3. Катаев К.А. Гидратообразование в трубопроводах природного газа // Всероссийский журнал научных публикаций. 2011. № 1 (2).
4. Гурин С.В. Разработка технологии квазиизотермического редуцирования давления для объектов системы транспортировки и распределения природного газа: дисс. … канд. техн. наук. – Уфа, 2008.
5. Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование безмашинного энергоразделения воздушных потоков в трубе Леонтьева // Тепловые процессы в технике. № 9. – 2015. – С. 397–404.
6. Попович С.С. Влияние ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения: дисс. … канд. техн. наук. – М., 2016.
7. Белоусов А.М. Вихревая труба Ранка – Хилша как перспективное устройство получения низких температур / Белоусов А.М., Исрафилов И.Х., Харчук С.И. // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». – № 2. – С.-Пб.: Изд-во С.-Пб. НИУ ИТМО, 2014. – С.36–44.
8. Регулятор давления газа РДУ-Т – новый способ борьбы с гидратообразованием // http://www.staroruspribor.ru/articles/view/282.htm
9. Хаит А.В. Исследование эффекта энергоразделения с целью улучшения характеристик вихревой трубы: дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург, 2012. 199 с.
10. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: «Высшая школа», 1978. – 448 с.
11. Ли Чжун Мин Исследование термоакустического нагрева газа в газоструйных генераторах Гартмана: дис. … канд. техн. наук. – М., 2004.
12. Елисеев Ю.Б., Черкез А.Я. Об эффекте повышения температуры торможения при обтекании газом глубоких полостей. // Механика жидкости и газа. – 1971. – № 3. – С. 8–18.
13. Семенов В.Ю. Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа: дис. … докт. техн. наук. – М., 2016.
14. Парфенов Д.В. Предупреждение нагрева элементов крановых узлов при заполнении газом участков магистральных газопроводов: дис. … канд. техн. наук. – Ухта, 2018.
15. Савченков С.В., Агиней Р.В., Репин Д.Г., Наместников Г.И., Парфенов Д.В. Численное моделирование в ANSYS CFX явления нагрева тупиковых ответвлений крановых узлов // Газовая промышленность. № 10. – 2013. – С. 13–16.
Keywords: natural gas, gas pipeline, energy saving, energy separation, Hartmann – Sprenger effect, pressure reduction, gas distribution station.
