Подогрев газа на ГРС

При редуцировании газ охлаждается, что способствует гидратообразованию. Гидратообразование является область, расположенная левее равновесных кривых (рис. 9.9). Если газ не насыщен влагой и парциальное давление водяных паров меньше упругости паров гидрата, то кристаллогидраты образовываться не будут. Для исключения гидратообразования перед дросселированием газ подогревают в теплообменниках. Температура подогрева должна быть такой, чтобы влагосодержание насыщенного газа не опускалось ниже влагосодержания газа, поступающего на ГРС. В этом случае при дрос­селировании влага не будет выпадать из газа. Действительную темпе­ратуру подогрева принимают несколько больше полученной из расчета. Теплообменники устанавливают на ГРС, в качестве теплоносителя ис­пользуют горячую воду. При расчете используют зависимость влагосо­держания насыщенного природного газа от давления и темпера­туры.

Следует напомнить, что влагосодержание — это количество водяных паров в кг, которое содержится в 1 кг (1 м³) сухого газа. Так как водя­ной пар занимает весь объем смеси, влагосодержание можно определить как отношение плотности водяного пара к плотности сухого газа. Если пар в смеси находится в насыщенном состоянии, то его влагосодержание будет иметь максимальное значение. Если считать, что смесь водяных паров и газа подчиняется законам идеальных газов, тогда количество насыщенных водяных паров в 1 м³ смеси и их парциальное давление пол­ностью определяются температурой и не зависят от давления. В этом случае влагосодержание легко рассчитать по таблицам насыщенного во­дяного пара. Содержание водяных паров в сжатых горючих газах боль­ше рассчитанного, так как поведение смесей водяного пара с природным газом отклоняется от законов идеальных газов и тем больше, чем выше давление смеси, ниже ее температура и больше молекулярная масса газа.

На графике (см. рис. 9.2) показана зависимость влагосодержания насыщенного природного газа от температуры при различных давлениях. В данном случае влагосодержание приведено к нормальным условиям, т. е. 0ºС и 101,3 кПа. График построен для природного газа. Влагосо­держание, отнесенное к 1 кг сухого газа (W_м),определяется отношением плотности пара ρ_п к плотности сухого газа ρ_с._г, т. е. W_м⁼ρ_п/ρ_c.г. Если влагосодержание отнести к 1 м³ сухого газа, тогда получим следующее соотношение:

W_υ=W_мρ_c.г=ρ_п

Следовательно, влагосодержание W_υ, отнесенное к 1 м³ совпадает с абсолютной влажностью. Пересчет влагосодержания W_υ на нормальные условия W_oυ с учетом приведенного выше выражения производят следующим образом:

Рис. 9.9. График образования гидратов природных газов в зависимости от температуры и давления

где ; ρ_c.г, p_г, Т и ρ_о.c.г, p_o, Т_о - соответственно плотность, давление и температура газа, а также плотность, давление и температура при нормальных условиях.

Эту же формулу используют для определения действительного влагосодержания газа по влагосодержанию, отнесенному к объему при 0 °С и 101,3 кПа, который выбирают по графику (см. рис. 9.2) для задан­ных температуры и давления смеси насыщенного водяного пара и при­родного газа.

Пример 9.3.1. Определить влагосодержание насыщенного природного газа при температуре 0 °С и давлении 6 МПа (абс.) по таблицам водяного пара и по графику рис. 9.2.

Считая, что смесь водяного пара с природным газом подчиняется законам иде­альных газов, влагосодержание насыщенного газа зависит только от температуры. По таблицам насыщенного водяного пара находим, что при t=0º Cρ″=W_υ=0,004847 кг/м³, р_н = 0,612 кПа. Следовательно, парциальное давление природного газа будет равно: р_газ=5999,388 кПа.

По графику (см. рис. 9.2) вычисляем абсолютную влажность, приведенную к нормальным условиям при t=0ºC и р=6 МПа, т. е. W_oυ = 0,12 г/м³.

По формуле приводим табличное значение влагосодержания к нормальным условиям:

Приведенный расчет показывает отклонение парогазовой смеси от законов идеальных газов. Действительно, содержание насыщенных во­дяных паров в природном газе больше величины, подсчитанной в таком предположении, что парогазовая смесь подчиняется законам идеальных газов.

При дросселировании газа его объем увеличивается (газ расширя­ется). На преодоление сил межмолекулярного притяжения необходимо затратить определенную энергию, которая пойдет на увеличение потен­циальной энергии взаимодействия молекул. Частично эта энергия ком­пенсируется за счет уменьшения кинетической энергии теплового движе­ния молекул газа, в результате чего температура газа снижается (поло­жительный эффект Джоуля — Томсона). Снижение температуры при дросселировании [напомним, что этот процесс протекает при постоян­ной энтальпии (i = const)] характеризуют дифференциальным темпера­турным эффектом дросселирования Д_i:

Для природного газа в области значений давлений и температур, ко­торые имеют место при его редуцировании на ГРС, среднее значение дифференциального дроссельного эффекта принимают равным:

Д_i = 5,5 град/МПа.

Таким образом, при дросселировании газа снижаются не только его давление, но и температура, соответственно изменяется и влагосодержание, насыщающее газ. Возможность выпадения конденсата при дроссе­лировании можно определить графически (см. рис. 9.2). Для этого оп­ределяют температуру газа для промежуточных значений давления при дросселировании от начального до конечного давления. Температуру от­считывают от температуры газа, поступающего на ГРС, считая, что при снижении давления газа на 1 МПа его температура снижается на 5,5 °С. По полученным данным на графике зависимости влагосодержания на­сыщенного газа от температуры и давления (см. рис. 9.2) строят кри­вую изменения состояния газа. Эта кривая дает зависимость влагосодер­жания насыщенного газа от давления и температуры, изменяющихся в процессе дросселирования. Если влагосодержание насыщенного газа, поступившего на ГРС, соответствующее его температуре точки росы, ниже полученной кривой, то газ в процессе дросселирования будет прев­ращаться в ненасыщенный. Если же она будет выше минимума кривой, то из газа будет выпадать влага и образовываться кристаллогидраты. Для исключения гидратообразования газ необходимо подогреть на такую величину Δt, чтобы кривая влагосодержания насыщенного газа при дросселировании лежала выше влагосодержания насыщенного газа, поступающего на ГРС. Значение Δt определяют подбором, строя не­сколько кривых дросселирования для различных начальных температур.

Пример 9.3.2.Определить необходимый по­догрев газа для предотвращения гидратообразования и рассчитать теплообменник при следующих данных Q₀=20 000 м³/ч, р_нач = 4МПа (абс.), р_кон = 0,5 МПа (абс.).

Решение

1. Определим величину необхо­димого подогрева газа, считая, что точка росы газа, поступающего на ГРС, равна 0 °С. Проме­жуточные значения давления и температура приведены в табл. 9.3.1.

По данным приведенной таблицы на гра­фике зависимости W_оυ=f(t, p) построены кри­вые изменения влагосодержания насыщенного газа при дросселировании для различных на­чальных температур, которые приведены на рис 9.2. Из рассмотрения рисунка следует, что при подогреве газа на 4° минимум кривой совпадает с начальной абсолютной влажностью насыщенного газа, поэтому минимальный подо­грев, предотвращающий выпадение конденсата, составляет 4 °С Если газ подогреть на 6 °С, то минимуму кривой будет соответствовать относительная влажность, равная.

а относительная влажность газа, выходящего из ГРС, составит

Таким образом, температуру подогрева газа можно принять Δt=6°С.

2.Рассчитываем поверхность нагрева теплообменника. Первоначально определим количество тепла Q₀, необходимого для нагрева газа.

Q = Q₀ ρ₀ с_р Δt = 0,73·2,5·10³·6 = 61000 Вт = 61 кВт,

где ρ₀ — плотность газа при нормальных условиях, равная 0,73 кг/м³; с_p— массовая теплоемкость газа при постоянном давлении, кДж/(кг·град), равная 2,5.

К установке принимаем теплообменник ВНИИГаза. Коэффициент теплопередачи теплообменника k=175—230 Вт/(м²·град). Среднюю логарифмическую разность температур рассчитаем при следующих температурах греющей воды: t_г=85°C, Т_охл = 50°С. В этом случае при противотоке большая и малая разности температур будут соответственно равны:

Δt_б = 85 — 6 = 79°С; Δt_м = 50 — 0 = 50°С;

Таблица 9.3.1

Промежуточные значения давления и температуры

Необходимая площадь поверхности теплообменника равна:

Принимаем теплообменник конструкции ВНИИГаза с поверхностью нагрева 5 м².