КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Савченко Олена Олексіївна

УДК 621.6-032.31

Фрикційне нагрівання природного газу

в енергетичному роздільнику

Спеціальність 05.23.03. – Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: Балінський Іван Семенович

кандидат технічних наук, доцент кафедри теплогазопостачання і вентиляції інституту будівництва та інженерії довкілля Національного університету “Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти: Строй Анатолій Федорович

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри теплогазопостачання і вентиляції Полтавського національного технічного університету ім. Ю. Кондратюка.

Скляренко Олег Михайлович

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, доцент кафедри теплогазо-постачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури.

Захист відбудеться 19.03. 2008 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680 м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати в двох примірниках за підписом, завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий 14.02. 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор Василенко О.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Відсутність власних запасів природного газу в Україні зумовлює постійну потребу в економії цього виду палива. Одним із шляхів зменшення використання природного газу є скорочення його споживання для власних потреб, зокрема при обслуговуванні об’єктів газопостачання. Так, на газорозподільних станціях для нагрівання газу перед процесом дроселювання залежно від типу нагрівників використовується до 300 тис.м3/рік природного газу.

Підтримання необхідної температури природного газу на газорозподільних станціях здійснюється для компенсації дросель-ефекту, який виникає при зниженні тиску природного газу після регулятора. При дроселюванні газу знижується не лише його тиск, але і температура, а відповідно змінюється і вологовміст природного газу, що може привести до утворення кристалогідратів на рухомих деталях регулятора тиску. Для запобігання утворення кристалогідратів природний газ нагрівають у підігрівниках різних типів, які відрізняються за видом теплоносія та розташуванням поверхонь теплообміну. Проте всі вони мають недоліки: потребують додаткового паливного газу та спеціально побудованих приміщень, мають великі габарити і масу, і, як наслідок, потребують великих капітальних та матеріальних затрат на їх влаштування та обслуговування, деякі є небезпечними у використанні.

На існуючих газорозподільних станціях з продуктивністю до 2 м3/год усунення вказаних недоліків можливе за рахунок застосування фрикційного нагрівання природного газу в енергетичних роздільниках.

Одним із стримуючих факторів запровадження цього методу нагрівання на діючих газорозподільних станціях є відсутність наукового обґрунтування вибору параметрів енергетичних роздільників для роботи на природному газі та відповідної нормативної документації. Тому розробка та наукове обґрунтування методу фрикційного нагрівання природного газу в енергетичному роздільнику, а також створення технологічної схеми газорозподільної станції, яка б забезпечила необхідний ступінь нагрівання природного газу для запобігання утворення кристалогідратів на елементах регулятора тиску газу, була б надійною в експлуатації, простою в обслуговуванні та мала б мінімальні експлуатаційні витрати є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в рамках державної програми ”Створення систем і обладнання екологічно безпечних комплексів України” і тісно пов’язана з планами держбюджетної тематики Національного університету „Львівська політехніка” на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0106U007682).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування та розробка методу фрикційного нагрівання природного газу перед його дроселюванням на газорозподільних станціях та обладнання для нього, які у системах газопостачання є ощадними.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз існуючих методів нагрівання природного газу перед процесом редукування на газорозподільних станціях та визначити фактори, що найбільш суттєво впливають на роботу енергетичного роздільника;

- дослідити термодинамічні та фізичні основи процесу фрикційного нагрівання стиснених газів у енергетичних роздільниках;

- науково обґрунтувати та удосконалити математичну модель процесу фрикційного нагрівання природного газу в енергетичному роздільнику;

- експериментально дослідити фрикційне нагрівання стиснених газів у енергетичному роздільнику і на цій основі визначити його оптимальні параметри;

- розробити й науково обґрунтувати схему газорозподільної станції з використанням фрикційного нагрівання природного газу в енергетичних роздільниках;

- на основі наукового аналізу теоретичних та експериментальних досліджень розробити методику для інженерного розрахунку ступеню нагрівання природного газу перед процесом дроселювання та частки нагрітого потоку.

Об’єкт досліджень – енергетичний роздільник для роботи на природному газі газорозподільної станції.

Предмет досліджень – процес нагрівання природного газу перед його дроселюванням для забезпечення безперебійного газопостачання.

Методи досліджень – математичне моделювання енергетичного розділення стиснених газів на підставі рівнянь газодинаміки; реалізація експериментів з використанням газодинамічних вимірювань на базі статистичних методів планування й обробки результатів дослідів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- досліджено і науково обґрунтовано метод фрикційного нагрівання природного газу в енергетичному роздільнику на газорозподільних станціях для запобігання обмерзання регулятора тиску газу;

- запропоновано удосконалену математичну модель процесів тепло-масообміну в апаратах з тангенціальним вводом, яка дозволяє визначити втрати тиску та ступінь нагрівання в енергетичному роздільнику;

- оцінено вплив термодинамічних характеристик апарату на ефективність нагрівання природного газу на діючій газорозподільній станції.

Практичне значення одержаних результатів:

Розроблений метод фрикційного нагрівання природного газу в енергетичному роздільнику, який дозволяє підвищити ефективність процесу нагрівання та виключити можливість утворення кристалогідратів у регуляторі тиску газу.

Запропоновані рекомендації для інженерного розрахунку основних термодинамічних та конструктивних параметрів енергетичного роздільника, а саме ступеню нагрівання газу, частки нагрітого потоку, діаметра камери енергетичного розділення та діафрагми, розмірів сопла. Отримані закономірності дозволяють використати їх для розрахунку та проектування енергетичних роздільників при будівництві нових та реконструкції існуючих газорозподільних станцій. Запропоновані розрахункові рекомендації дають змогу без проведення додаткових експериментів визначити необхідні термодинамічні та конструктивні характеристики для надійної роботи газорозподільних станцій.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в управлінні магістральних газопроводів „Львівтрансгаз” ДП „Укртрансгаз”, що дозволило забезпечити потрібний ступінь нагрівання природного газу перед дроселюванням, запобігти гідратоутворенню та уникнути використання додаткових енергоносіїв.

Особистий внесок здобувача.

Наукові результати, що викладені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем на основі виконаного аналізу відомих методів і математичних моделей нагрівання природного газу перед процесом його дроселювання. Визначено коефіцієнт відповідності енергетичного розділення стисненого повітря і природного газу та теоретичного ступеню нагрівання природного газу після енергетичного роздільника. Автору належить розробка методики проведення, організація експериментальних досліджень та обробка отриманих результатів. Визначені оптимальні геометричні розміри роздільника. Досліджено критичні умови гідратоутворення на газорозподільних станціях. запропонована та досліджена схема газорозподільної станції з енергетичним роздільником та проведені дослідження роботи роздільника на діючій газорозподільній станції.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на регіональних і міжнародних конференціях: “Нафта і газ України – 2000р.” (м. Івано-Франківськ, 2000 р.), VI, VIІІ Міжнародних наукових конференціях “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” Львів – Кошице – Жешув (м. Львів, 2001, 2003 рр.), VIІ, Х Міжнародних наукових конференціях “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” (м. Кошице, Словаччина, 2002, 2005 рр.), сьомому міжнародному науково-практичному семінарі “Економія. Екологія. Комфорт” (м. Львів, 2003 р.), ІХ Міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” (м. Жешув, Польща, 2004 р.), 65-ій науково-практичній конференції (м. Київ, 2004 р.).

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 12 друкованих робіт, в т.ч. 7 у фахових виданнях, регламентованих ВАК України, одержано 1 патент України на винахід.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури із 145 найменувань і додатку. Робота викладена на 137 сторінках, містить 30 рисунків, 15 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі наводиться стисла характеристика дисертаційної роботи, розкрита актуальність проблеми нагрівання природного газу перед процесом дроселювання у енергетичних роздільниках, сформульована мета і визначені задачі досліджень, наведені положення наукової новизни та практичної цінності роботи.

У першому розділі здійснено аналітичний огляд літературних джерел та наукових робіт, в яких йдеться про утворення гідратів природних газів. Аналіз робіт Бика С.Ш., Бухгалтера Е.Б., Дегтярьова Б.В., Катца Д.Л., Коротаєва Ю.П., Кулієва А.М., Макогона Ю.Ф., Мусієва Р.М., Саркіс’янца Г.А., Схаляхо А.С., Фоміної В.І. та інших дозволив виявити основні тенденції по запобіганню утворенню гідратів природного газу при його транспортуванні.

Аналізується стан питання і наукові досягнення по нагріванню природного газу перед процесом дроселювання на газорозподільних станціях для запобігання утворення кристалогідратів на їх обладнанні. Аналіз робіт Григоренка Н.П., Дубинського Н.М., Дуднікова А.П., Єніна П.М., Іванова Ю.Г., Клюкача І.І., Липецького С.С., Пиляка В.М., Скляренка О.М., Строя А.Ф., Чайцина Г.А. дозволили визначити основні методи для нагрівання природного газу на газорозподільних станціях, виявити актуальність та необхідність удосконалення даних методів.

Методи нагрівання, які застосовуються в теперішній час, потребують використання тепло- та енергоносіїв, великих капітальних та експлуатаційних затрат, є громіздкими і в деяких випадках пожежонебезпечними. Найбільш прогресивним та економічно вигідним методом нагрівання природного газу перед процесом дроселювання на газорозподільних станціях є нагрівання в енергетичному роздільнику. Цей метод дозволяє нагрівати природний газ без використання будь-яких видів енергії (зокрема електричної) та рухомих деталей. Крім того, енергетичні роздільники дозволяють розвантажити регулятор тиску газу в опалювальний період. Використовувати енергетичний роздільник для нагрівання природного газу на газорозподільних станціях з малою продуктивністю дозволяють також його невеликі розміри і маса, короткий пусковий період, низька вартість виготовлення та малі капітальні затрати. Проте наукове обґрунтування особливостей енергетичного розділення природного газу високого тиску, математичні співвідношення і методика розрахунку термодинамічних параметрів процесу нагрівання практично відсутні.

На основі аналітичного вивчення літературних і патентних джерел сформульовані задачі і напрямки досліджень, а також намічені шляхи вирішення проблеми.

У другому розділі наведено теоретичні та фізичні основи процесу енергетичного розділення природного газу високого тиску та результати співмірності енергетичного розділення стиснутих повітря і природного газу.

Запропоновано удосконалену фізичну модель процесів тепло-масообміну енергетичному роздільнику.

Гідравлічний опір енергетичного роздільника складається з таких величин:

(1)

де – гідравлічний опір на вході потоку у енергетичний роздільник;

– гідравлічний опір дільниці відцентрового потоку;

– гідравлічний опір дільниці розвиненого потоку в енергетичному роздільнику;

– гідравлічний опір потоку на виході з енергетичного роздільника.

Рис.1. Гідравлічна схема роздільника. 1, 2, 3 – типи вхідних патрубків.

Гідравлічний опір потоку на вході в енергетичний роздільник:

(2)

а – експериментальний параметр, Нс2/м4;

n – показник ступеню, залежить від типу конструкції вхідного патрубку;

dвх – гідравлічний діаметр вхідного отвору (сопла), м;

– середня швидкість потоку у вхідному отворі, м/с.

Гідравлічний опір потоку на виході з енергетичного роздільника:

(3)

b – експериментальний параметр, Нс2/м4;

m – показник ступеню, залежить від кута конфузору на виході з енергетичного роздільника;

dк – внутрішній діаметр камери енергетичного роздільника, м;

dвих – діаметр вихідного патрубка, м;

wвих – швидкість потоку на виході з енергетичного роздільника, м/с.

Гідравлічний опір ділянки розвиненого потоку в енергетичному роздільнику:

(4)

– густина потоку;

– середня швидкість потоку на ділянці розвиненої течії, м/с,

lр.т. – довжина ділянки розвиненої течії, м;

– число Рейнольдса,

dк – діаметр корпусу, м;

– кінематичний коефіцієнт в’язкості, м2 /с.

Гідравлічний опір ділянки відцентрового потоку:

(5)

де сf – коефіцієнт повного тертя потоку з поверхнею.

(6)–

середня швидкість потоку, м/с

fк – поверхня контакту потоку з внутрішньою поверхнею корпусу, м2;

lстр.д – довжина ділянки струменевого потоку, м;

a1 – експериментальний параметр, який враховує додатковий опір на поверхні контакту охолодженого потоку та нагрітого потоку:

(7)

Рвх – тиск потоку на вході в енергетичний роздільник, Па;

mгр, mв – маса відповідно гріючого та охолодженого потоку, кг.

Теплова потужність енергетичного роздільника:

(8)

Кількість теплоти необхідної для нагрівання потрібної кількості потоку V від tвх до tвих визначається з рівняння:

, (9)

де V – кількість потоку, що нагрівається, м3/с;

сп – питома об’ємна теплоємність потоку, що нагрівається, кДж/(м3 К)

Прирівнюючи (8) та (9), можна визначити ступінь нагрівання стисненого газу після енергетичного роздільника.

Обґрунтування роботи енергетичного роздільника на стиснених газах було проведено з використанням відомих процесів теплообміну та теплопереносу, враховуючи такі спрощення і припущення: процес енергетичного розділення є адіабатним; при енергетичному розділенні природного газу високого тиску враховувалось пониження температури внаслідок дросель-ефекту Джоуля-Томсона; камера енергетичного розділення приймалася циліндричної форми; площа поперечного перетину соплового вводу визначалася з умови забезпечення енергетичного розділення та приймалася постійною у всьому діапазоні експериментальних досліджень; температура і тиск повітря на вході в енергетичний роздільник підтримувались на певному заданому значенні; практичне значення необхідного ступеню нагрівання на газорозподільних станціях становило 4...6оС.

Для отримання узагальнених залежностей розрахункові змінні пропонується виразити безрозмірними величинами, а саме:

- відносна площа – це відношення площі поперечного перетину діафрагми до площі перетину сопла;

- відносна довжина – це відношення довжини камери енергетичного розділення до її діаметру;

- частка нагрітого потоку – це відношення кількості нагрітого потоку після енергетичного роздільника до вхідної кількості потоку на вході в роздільник.

Приймаючи спрощення, ступінь нагрівання газу після енергетичного роздільника розглядався як функція трьох аргументів:

(8)

Дану функцію запропоновано представити поліноміальною залежністю:

(9)

Перед нами стоїть задача максимізації 3-факторної -функції ступеня нагрівання газу після енергетичного роздільника. Забезпечення максимального ступеня нагрівання газу здійснюється при оптимальних значеннях факторів . Тому для вирішення задачі оптимізації, - функція досліджувалася на екстремум, який дозволяв визначити оптимальні величини .

Оскільки виникають труднощі при проведенні експериментальних досліджень на природному газі високого тиску, то запропоновано ввести коефіцієнт відповідності енергетичного розділення стисненого повітря та природного газу . Він дозволяє при відомому ступеню нагрівання для повітря визначити аналітичне значення ступеню нагрівання природного газу після енергетичного роздільника. Коефіцієнт відповідності залежить від коефіцієнту адіабати природного газу k визначається за графічною залежністю (рис.2.).

Рис.2. Залежність коефіцієнту відповідності від показника адіабати k.

Графік апроксимується аналітичною залежністю:

(10)

а, ступінь нагрівання природного газу визначається як:

(11)

У третьому розділі наведено планування експерименту для проведення експериментальних досліджень на лабораторній установці, методика проведення досліджень та обробка експериментальних даних енергетичного розділення стисненого повітря.

Для вирішення поставлених в дисертації задач розроблено схему експериментальних досліджень енергетичного роздільника в лабораторних умовах (рис.3.).

Рис.3. Схема експериментальної установки

для дослідження енергетичного роздільника на стисненому повітрі.

Сутність експериментальних досліджень полягала у наступному:

-

-

-

В процесі досліджень був проведений трифакторний експеримент, для здійснення якого обраний ортогональний план другого порядку з такими факторами: х1 – відносна площа , в межах від до ; х2 – відносна довжина , в межах від до та х3 – частка нагрітого потоку , в межах = 0,1 до = 0,9.

Результати експериментів оброблялись на ЕОМ методами математичної статистики з довірчою ймовірністю 0,95. Значимість коефіцієнтів регресії і довірчій інтервал перевірялися за допомогою критерія Стьюдента, адекватність моделі перевірялася за допомогою числа Фішера. Обробки експериментальних досліджень показала справедливість запропонованої фізичної моделі енергетичного роздільника.

На рис.4. наведені результати експериментальних досліджень енергетичного роздільника при роботі його на стисненому повітрі.

а) б)

в) г)

Рис. 4. Залежність ступеню нагрівання повітря від частки нагрітого потоку при різних значеннях відносної площі : а) с = 0,5; б) с = 0,8; в) = 1,1;

г) = 1,7 та різних значеннях відносної довжини :

lтр /dтр =10 lтр /dтр =20 lтр /dтр =30.

Графічні залежності було апроксимовано аналітичними залежностями, які дозволили визначити оптимальні геометричні розміри енергетичного роздільника та частку нагрітого потоку: =1,27, = 20 та = 0,495.

Експериментальні дослідження були проведені також для визначення впливу тиску на вході в енергетичний роздільник рвх на ступінь нагрівання потоку . Графічне зображення залежності ступеню нагрівання від тиску на вході в роздільник наведені на рис.5, при чому при рвх >500 кПа показані результати експериментальнх досліджень, а в межах 0,5-3,0 МПа показані екстрапольовані дані.

Як видно з рис.5., при тиску рвх 500 кПа ступінь нагрівання стисненого повітря в процесі енергетичного розділення залишається практично незмінним. Це пояснюється впливом дросель-ефекту Джоуля-Томсона, який виникає в камері енергетичного розділення.

Рис.5. Залежність ступеню нагрівання стисненого повітря

при енергетичному розділенні залежно від тиску на вході в роздільник.

Залежність ступеню нагрівання потоку від тиску на вході в роздільник рвх при різних частках нагрітого потоку зображено на рис.6.

Рис.6. Екстрапольована залежність ступеню нагрівання повітря від тиску на вході в роздільник рвх та частки нагрітого потоку .

- = 0,5 - = 0,7 - =0,9

Як видно з рис.6., при збільшенні тиску на вході в енергетичний роздільник до 3 МПа ступінь нагрівання практично не змінюється. Це пов’язано з дросель-ефектом, який виникає в камері енергетичного розділення та зменшує значення ступеню нагрівання повітря. Аналітичний запис залежності ступеню нагрівання повітря від тиску на вході в роздільник рвх, МПа, та частки нагрітого потоку можна здійснити за допомогою формули:

(12)

У четвертому розділі визначені критичні параметри гідратоутворення на газорозподільних станціях, розроблені рекомендації для проведення інженерного розрахунку основних геометричних параметрів та термодинамічних характеристик енергетичного роздільника для нагрівання природного газу високого тиску, наведені результати експериментальних досліджень діючої газорозподільної станції з енергетичним роздільником.

Критичні параметри гідратоутворення були визначені для реальних умов роботи газорозподільних станцій в опалювальний період, коли виникає загроза обмерзання регулятора тиску. Було встановлено, що тиск гідратоутворення для всіх початкових умов складає р 2 МПа, тоді як температура гідратоутворення суттєво залежить від тиску рвх та температури tвх природного газу на вході в газорозподільну станцію і становить:

(13)

На основі запропонованих у третьому розділі оптимальних геометричних розмірів енергетичного роздільника та визначених критичних параметрів гідратоутворення був розроблений інженерний метод розрахунку необхідного ступеню нагрівання природного газу на газорозподільних станціях, який дозволить запобігти утворенню кристалогідратів. Для використання запропонованих залежностей пропонується такий алгоритм інженерного розрахунку.

Рис.7. Алгоритм інженерного розрахунку технологічних параметрів нагрівання природного газу на газорозподільній станції.

Поданий інженерний метод був використаний для розроблення енергетичного роздільника з метою нагрівання природного газу на діючій газорозподільній станції. Даний енергетичний роздільник був змонтований та досліджений на діючій Щирецькій газорозподільній станції УМГ “Львівтрансгаз”. На рис.8 наведений загальний вигляд газорозподільної станції з енергетичним роздільником.

Рис.8. Енергетичний роздільник на діючій газорозподільній станції.

В опалювальний період для нагрівання природного газу застосовувався енергетичний роздільник. Проведені дослідження енергетичного розділення природного газу на газорозподільній станції показали ефективну його роботу протягом опалювального періоду. Результати роботи енергетичного роздільника на діючій ГРС показані на рис.9.

Рис.9. Температурний режим енергетичного роздільника на діючій ГРС.

tкр – критична температура утворення кристалогідратів, tвх – температура природного газу на вході в АГРС, tрег – температура природного газу перед регулятором тиску.

Як видно з рис.9, температура природного газу перед регулятором тиску вища за критичну температуру гідратоутворення, отже кристалогідрати не утворювалися. Це підтверджували і наочні спостереження за регулятором тиску: на протязі всього опалювального періоду не спостерігалось видимого обмерзання регулятора тиску газу.

Для визначення впливу зміни кількості нагрітого потоку на ступінь нагрівання природного газу були проведені експериментальні дослідження газорозподільної станції при сумісній роботі енергетичного роздільника та додаткової лінії теплого потоку. В результаті експериментальних досліджень діючої ГРС було встановлено, що збільшення частки нагрітого потоку за допомогою відбору її частини додатковою лінією теплого потоку дозволяє збільшити ступінь нагрівання природного газу після енергетичного роздільника

Рис.10. Залежність ступеню нагрівання природного газу від частки нагрітого потоку.

1 – для газорозподільної станції з енергетичним роздільником та додатковою лінією теплого потоку, 2 – для газорозподільної станції лише з енергетичним роздільником.

Як видно з рис.10., ступінь нагрівання природного газу для газорозподільної станції при сумісній роботі додаткової лінії теплого потоку та енергетичного роздільника є більшим, ніж для ГРС тільки з енергетичним роздільником. Це пояснюється можливістю додатково збільшувати частку нагрітого потоку лінією теплого потоку.

В п’ятому розділі наведено техніко-економічний розрахунок процесу нагрівання природного газу в енергетичному роздільнику.

Для оцінки економічної ефективності запропонованого рішення проведено порівняння техніко-економічних показників розробленої схеми газорозподільної станції з використанням енергетичного роздільника для нагрівання природного газу та існуючої газорозподільної станції аналогічної продуктивності з нагріванням природного газу у теплообміннику ПГ – 10. Після проведених розрахунків встановлено, що річний економічний ефект від впровадження розробленої схеми газорозподільної станції з енергетичним роздільником склав 170 тис. грн. Економічний ефект від впровадження такої схеми отриманий за рахунок зниження як капітальних, так і експлуатаційних затрат, зокрема витрат на електроенергію та паливний газ.

На основі техніко-економічного обґрунтування доведено доцільність використання енергетичного роздільника для нагрівання природного газу на газорозподільних станціях. При цьому в дисертації показано особливості і переваги в експлуатації енергетичних роздільників, у порівнянні з існуючими теплообмінниками.

Загальні Висновки.

1. На підставі аналізу літературних даних щодо нагрівання природного газу перед процесом дроселювання на газорозподільних станціях встановлено, що більшість нагрівників потребують паливного газу, мають значні габаритні розміри і масу, а відповідно значні капітальні затрати на встановлення ремонти та обслуговування. Крім того, встановлено, що в існуючих методах розрахунку енергетичних роздільників наведені різні оптимальні геометричні розміри та відсутня методика розрахунку енергетичних роздільників при роботі на природному газі високого тиску.

2. Запропоновано коефіцієнт відповідності енергетичного розділення газів, який дозволяє визначити ступінь нагрівання природного газу при відомому ступені нагрівання повітря.

3. Розроблено удосконалену математичну модель процесів тепло-масообміну в енергетичному роздільнику, на базі якої розроблено методику розрахунку параметрів потоку та нагрівання газу за рахунок тертя його об стінки роздільника.

4. Експериментально визначено вплив геометричних розмірів та частки нагрітого потоку на процес енергетичного розділення газу та підтверджено, що зі збільшенням відносної довжини понад оптимальне значення ступінь нагрівання газу залишається практично незмінним, а при відхиленні відносної площі та частки нагрітого потоку від їх оптимальних значень ступінь нагрівання потоку суттєво зменшується. Крім того, встановлено, що при високих тисках потоку на вході (рвх500кПа) ступінь нагрівання потоку майже не змінюється, що пов’язано з впливом дросель-ефекту на ступінь нагрівання природного газу.

5. Отримано емпіричні залежності для розрахунку ступеню нагрівання повітря залежно від геометричних розмірів енергетичного роздільника та частки нагрітого потоку, які дозволили оптимізувати необхідні геометричні розміри роздільника.

6. Розроблено схему газорозподільної станції з фрикційним нагріванням природного газу в енергетичному роздільнику, дослідження якої показали ефективну роботу по запобіганню утворення кристалогідратів на елементах регулятора тиску. Відхилення між реальним ступенем нагрівання природного газу та аналітичним не перевищують допустимих значень, що підтверджує правильність аналітичного прогнозування результатів енергетичного розділення природного газу високого тиску.

7. На підставі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень розроблено інженерний метод розрахунку необхідного ступеню нагрівання природного газу на газорозподільних станціях, який дозволяє проектувати енергетичні роздільники для нагрівання природного газу нових та діючих газорозподільних станцій.

8. Встановлено, що додаткова лінія теплого потоку дозволяє зменшити частку нагрітого потоку і, тим самим, збільшити ступінь нагрівання природного газу перед регулятором тиску, що дозволяє при збільшенні продуктивності газорозподільної станції нагрівати природний газ до необхідної температури з умови не обмерзання регулятора тиску газу.

9. У результаті впровадження схеми газорозподільної станції в проект проведено в управлінні магістральних газопроводів „Львівтрансгаз” досягнуто необхідного ступеню нагрівання природного газу для запобігання утворення кристалогідратів на елементах регулятора тиску газу.

10. Техніко-економічні розрахунки дозволяють констатувати можливість заощадження капітальних вкладень 170 тис.грн./рік у порівнянні з існуючими методами нагрівання, зокрема при використанні теплообмінника ПГ – 10.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кашина О., Балінський І. Ефективність енергетичного розділення стиснутих природного газу і повітря. // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. ” – 2001. – №432. – С.106-109.

Особистий внесок Савченко О.О. полягає у визначенні коефіцієнту відповідності енергетичного розділення стисненого повітря і природного газу та визначення розрахункових комплексів А і В.

2. Кашина О., Балінський І. Підвищення ефективності процесів нагрівання при будівництві газових мереж. // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Теорія і практика будівництва”. – 2002. – № 462. – С.66-68.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні теоретичного ступеню нагрівання природного газу після енергетичного роздільника на газорозподільній станції.

3. Савченко О.О., Балінський І.С., Возняк О.Т. Експериментальне дослідження енергетичного розділення стисненого повітря. // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. ” – 2004. – №506. – С.144-150.

Особисто здобувачем проведено планування експерименту для здійснення експериментальних досліджень енергетичного роздільника на стисненому повітрі.

4. Савченко О.О., Балінський І.С. Нагрівання природного газу за допомогою енергетичного роздільника на діючій газорозподільній станції. // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Теорія і практика будівництва”. – 2004. – № 520. – С. 169-173.

Особистий внесок Савченко О.О. полягає у виконанні теплового балансу при роботі енергетичного роздільника на природному газі.

5. Савченко О.О., Балінський І.С., Банахевич Ю.В. Дослідження енергетичного роздільника газорозподільної станції. // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Теорія і практика будівництва”. – 2005. – № 545. – С. 147-151.

Особисто здобувачем проведено експериментальні дослідження енергетичного розділення на газорозподільній станцій та визначено вплив додаткової лінії теплого потоку на ступінь нагрівання природного газу.

6. Савченко О. Методика інженерного розрахунку енергетичного роздільника для газорозподільчих станцій. // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. ” – 2005. – №537. – С.58-61.

7. Балінський І.С., Банахевич Ю.В., Савченко О.О. Розроблення енергетичного роздільника газорозподільних станцій. // Нафтова і газова промисловість. – 2006. – №3. – С.38-40.

Особистий внесок здобувача полягає у математичній обробці експериментальних досліджень на стисненому повітрі та визначенні оптимальних геометричних розмірів енергетичного роздільника.

8. Балінський І., Кашина О., Коваль Р., Банахевич Ю. Газорозподільна станція з енергетичним розділювачем для нагрівання природного газу. // Зб. наук. пр.: “Нафта і газ України – 2000”. – Івано-Франківськ, Факел. – 2000. – Том3. – С.48 – 49.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні місця розташування енергетичного роздільника на газорозподільній станції.

9. Кашина О., Балінський І. Вологовміст природного газу при його дроселюванні на газорозподільних станціях. // Зб. мат. конф. “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля”. – Львів: Видавництво НУ “ЛП”, 2001р. – С.3-5.

Особистий внесок Савченко О.О. полягає у встановленні залежності критичної температури початку конденсації водяної пари від температури на вході в газорозподільну станцію.

10. Kashyna O., Balinsky I. Experimental investigation of energy separation of the compressed gases.// Zbornik prednasok. VII. Vedecka konferencia s medzinarodnou ucast’ou. – Kosicе. Slovakia, 2002. – St.125-128.

Особисто здобувачем проведено експериментальні дослідження на стисненому повітрі.

11. Savchenko O., Balins’kyi I. The engineer calculation method for energetic separator of gas distributive installation. // Book of abstracts 10th International Scientific Conference. State of Art, Trends of development and Challenges in Civil Engineering. – Kosicе. Slovakia, 2005. – Pg. 72.

Особисто здобувачем запропоновано інженерний метод розрахунку енергетичного роздільника для роботи на газорозподільній станції.

12. Патент України № 43673А. Газорозподільна станція. / Балінський І.С., Коваль Р.І., Банахевич Ю.В., Кашина О.О. – 3с.; Опубл. 17.12.2001, Бюл. № 11.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці схеми газорозподільної станції з енергетичним роздільником.

Анотація

Савченко О.О. Фрикційне нагрівання природного газу в енергетичному роздільнику. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 – Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. – Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, Львів, 2008.

Дисертація присвячена дослідженню методу нагрівання природного газу, що дозволяє запобігти обмерзанню регулятора тиску газу на газорозподільній станції. Встановлено, що наявні методи нагрівання природного газу перед процесом дроселювання на газорозподільних станціях потребують додаткового виду енергії, є неекономічними та, в деяких випадках, небезпечними при використанні. Запропонована нова схема газорозподільної станції, в якій нагрівання природного газу здійснюється за допомогою енергетичного роздільника. Метод заснований на здатності енергетичного роздільника утворювати два потоки, зокрема, температура одного з них є вищою за температуру вхідного газу, який потім і подається на регулятор тиску. Досліджено механізм цього процесу. Теоретично обґрунтована та практично підтверджена ефективність застосування енергетичного роздільника для запобігання утворення кристалогідратів на елементах регулятора тиску. Отримані залежності для визначення коефіцієнту співмірності енергетичного розділення повітря і природного газу, ступеню нагрівання газу, оптимальних геометричних розмірів роздільника. Розроблена методика розрахунку основних геометричних розмірів та термодинамічних параметрів енергетичного роздільника при використанні його для нагрівання природного газу на газорозподільних станціях. Виконано техніко-економічні розрахунки запропонованої газорозподільної станції. Результати роботи використані в управлінні магістральних газопроводів „Львівтрансгаз”

Ключові слова: енергетичний роздільник, газорозподільна станція, ступінь нагрівання газу, частка нагрітого потоку, нагрівник природного газу, методи нагрівання.

Аннотация

Савченко Е.А. Фрикционное нагревание природного газа в энергетическом разделителе. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 – Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. – Национальный университет “Львовская политехника” Министерства образования и науки Украины, Львов, 2008.

Диссертация посвящена проблеме предотвращения обмерзания регулятора давления на газораспределительных станциях.

В работе выполнен аналитический обзор существующих методов предотвращения образования газовых гидратов при транспортировании природных газов, в том числе, нагревание природного газа перед регулятором давления на газораспределительных станциях. Отмечено, что в настоящее время известные методы нагревания природного газа перед процессом дросселирования на газораспределительных станциях требуют дополнительного вида энергии, материальных затрат и в некоторых случаях опасны при использовании.

С целью устранения этих недостатков предложен метод нагревания природного газа в энергетическом разделителе. Предлагаемый метод основан на способности энергетического разделителя создавать два потока, причем, один – с температурой выше температуры входного газа. Этот нагретый поток направляется на регулятор давления газа и позволяет предотвратить обмерзание его элементов.

В работе исследован механизм процесса энергетического разделения газов, установлены термодинамические параметры процесса. В результате проведения экспериментальных исследований и на основании анализа и оптимизации полученных результатов выбраны оптимальные геометрические размеры энергетического разделителя. Определены расчетные зависимости степени нагревания газа от различных параметров, коэффициента соизмеримости энергетического разделения воздуха и природного газа. В результате изучения механизма и особенностей процесса энергетического разделения газов, разработана математическая модель энергетического разделения природного газа высокого давления. Реализация модели позволила количественно определить влияние различных факторов на эффективность энергетического разделения.

Проведенные исследования показали, что существенное влияние на степень нагревания газа имеют геометрические размеры разделителя и доля нагретого потока. Экспериментально подтверждено, что наибольшая степень нагревания газа наблюдается при относительной площади =1,27, относительной длине =20 и доле нагретого потока = 0,495. Эти показатели прямо влияют на процесс энергетического разделения: с увеличением относительной длины больше оптимального значения степень нагревания не увеличивается, при отклонении относительной площади и доли нагретого потока от оптимального значения степень нагревания уменьшается. Кроме того, использование энергетического разделителя и дополнительной линии теплого потока в схеме газораспределительной станции позволяет разгрузить регулятор давления в отопительный период.

Результаты работы использованы в управлении магистральных газопроводов “Львовтрансгаз”. Выполнен технико-экономический расчет предложенной схемы газораспределительной станции для предотвращения обмерзания регулятора давления газа, который показывает значительную экономическую эффективность от внедрения.

Сведения, приведенные в диссертационной работе, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: энергетический разделитель, газораспределительная станция, степень нагревания газа, доля нагретого потока, нагреватель природного газа, методы нагревания.

Abstract

Savchenko O.O. Frictional heating of natural gas in energetic separator. – Manuscript.

Dissertation for Degree of candidate of Technical Science on 05.23.03 specialty – Ventilation, lighting and heat and gas supply. – National university “Lviv polytechnic”, Lviv, 2008.

The dissertation is devoted to research of natural gas heating method, which allows to prevent freezing of a pressure gas regulator on gas distributive installation. It is established, that existing methods of natural gas heating before pressure reducing process on gas distributive installations require an additional kind of energy, are uneconomical and, in some cases, dangerous at using. The new scheme of gas distributive installation in which heating of natural gas occurs due to an energetic separator is offered. The method is based on ability of an energetic separator to create two streams, specifically temperature of one stream is higher than the temperature of entrance gas. This heated up stream goes on a regulator of gas pressure. The mechanism of this process is investigated. Efficiency of an energetic separator using for prevention of hydrates formation on elements of a pressure regulator is theoretically proved and practically confirmed. Dependences for calculation of energetic separation coefficient commensurability of air and natural gas, a degree of gas heating, the optimum geometrical sizes of a separator are received. Calculation method of the basic geometrical sizes and thermodynamic parameters of an energetic separator is designed at its using for natural gas heating on gas distributive installations. Technical and economical calculations of proposed gas distributive installation are carried out. Results of work are used in management of main gas pipes "Lvivtransgas".

Key words: energetic separator, gas distributive installation, gas heating degree, share of heated stream, heater of natural gas, heating method.