CC BY
92
УДК 621.59
А. Е. Семёнов, А. М. Цейтлин, Р. Ш. Джумалиев
ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ИЗОЭНТРОПИЙНОГО КПД ПАРОЖИДКОСТНОГО ТУРБОДЕТАНДЕРА БЛОКА ОТБЕНЗИНИВАНИЯ УСТАНОВКИ У-274 АСТРАХАНСКОГО ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ЗАВОДА
На Астраханском газоперерабатывающем заводе из пластового газа Астраханского газоконденсатного месторождения получают товарный газ, газовую серу, сжиженные газы, дизельное топливо, бензин и котельное топливо.
Технология переработки газа включает в себя процесс осушки и отбензинивания газа в установках У-174 и У-274 для удаления воды, остаточных сернистых соединений с целью достижения требуемых ГОСТ параметров товарного газа.
Осушка газа осуществляется в адсорберах на молекулярных ситах. Отбензинивание газа осуществляется за счет процесса низкотемпературной сепарации парожидкостной многокомпонентной смеси. Холод для понижения температуры и конденсации высококипящих компонентов при отбензинивании перерабатываемого газа, а также для охлаждения перерабатываемого газа перед подачей в адсорберы производится за счет расширения предварительно охлажденного за счет регенеративного теплообмена газа в парожидкостном турбодетандере блока отбензинивания.
Энергозатраты на производство холода турбодетандером существенно повышают себестоимость товарного газа. Этим объясняется актуальность поиска путей снижения этих энергозатрат.
Энергозатраты на производство холода с помощью турбодетандера существенно связаны с потерями от необратимости термодинамических процессов рабочего цикла турбодетандера. Этими потерями определяется величина изоэнтропийного КПД турбодетандера. Снижение величины изоэнтропийного КПД приводит к повышению энтальпии, повышению температуры и снижению степени влажности парожидкостной смеси на выходе из турбодетандера. Это, в свою очередь, приводит к снижению холодопроизводительности турбодетандера. Снижение величины изоэнтропийного КПД приводит также к снижению степени сжатия товарного газа в первой ступени турбокомпрессора, приводом которого служит турбодетандер. Из факторов, способствующих снижению величины изоэнтропийного КПД процесса изоэнтропийного расширения, следует отметить образование парожидкостной смеси в результате проведения процесса [1].
В ходе исследований была проведена оценка величины изоэнтропийного КПД турбодетандера с помощью компьютерной программы ИУ8У8 V 2.4.1 фирмы Иург^ееЬ. Программа производит математическое моделирование процесса в турбодетандере, вычисляя в результате степень влажности и температуру парожидкостной смеси на выходе из турбодетандера. Исходными данными для программы являются температура и давление на входе в турбодетандер, давление на выходе из турбодетандера, молярные доли компонентов газовой смеси на входе в турбодетандер, изоэнтропийный КПД турбодетандера п.
В расчетах были приняты следующие исходные данные:
Температура газа на входе в турбодетандер /1 ...................-50 °С
Давление газа на входе в турбодетандер р1 ......................6 МПа
Давление газа на выходе из турбодетандера р2....................1,5 МПа
Между турбодетандером и регенеративным теплообменником установлен сепаратор, что исключает попадание жидкости в турбодетандер.
На выходе из турбодетандера образуется парожидкостная смесь со степенью влажности около 10 %.
При расчете исходных данных по молярным долям компонентов газовой смеси на входе в турбодетандер были использованы сведения по составу газа, поступающего в установку У-274, (табл. 1).
Таблица 1
Содержание компонентов в газе, поступающем в установку У-274
Компонент газовой смеси Единица измерения Нормы по проекту
^S мг/м3 Н/б 5,7
ppm 4,0
RSH Н/б 335
ppm 400
мг/м3 615
COS ppm 230
% об. 0,023
Н2О % об. 0,22
СО2 % об. 0,019
N2 % об. 4,40
C1 % об. 89,29
C2 % об. 2,89
C3 % об. 1,73
i-C4 % об. 0,20
n-C4 % об. 0,40
i-C % об. 0,25
n-C5 % об. 0,24
Фр. C6 % об. 0,16
Фр. C7 % об. 0,09
Фр. Cs % об. 0,04
Фр. C9 % об. 0,007
Фр. C10 % об. 0,004
Серные соединения, за исключением % об. 0,06
^S
Газовая смесь, поступившая в установку У-274, до поступления в турбодетандер проходит адсорберы, где из нее адсорбируются вода, углекислота, высококипящие компоненты. Затем смесь проходит регенеративные теплообменники, где предварительно охлаждается. При охлаждении часть высококипящих компонентов смеси конденсируется. После теплообменников установлен сепаратор, где из парожидкостной смеси сепарируется жидкость.
В результате попадание в турбодетандер высококипящих компонентов маловероятно.
Именно поэтому было принято, что расчетный состав газовой смеси на входе в турбодетандер содержит только азот Щ2, метан Сі, этан С2 и пропан С3..
Расчет исходных данных по молярным долям газовой смеси на входе в турбодетандер проводили по следующим зависимостям:
Хщ = Ущ /(Ущ + Ус + Ус + Ус) = 0,0440/(0,0440 + 0,8929 +0,0289 + 0,0173) = 0,0448,
Хе = Ус, /(Ущ + Ус, + Ус2 + Ус) = 0,8929/(0,0440 + 0,8929 +0,0289 + 0,0173) = 0,9082,
= Ус /(Ущ + Ус + Ус + Ус) = 0,0289/(0,0440 + 0,8929 +0,0289 + 0,0173) = 0,0294,
Хсз = Ус /(Ущ + Ус + Ус + Ус) = 0,0173/(0,0440 + 0,8929 +0,0289 + 0,0173) = 0,0176,
где Хщ, ХС, ХС ХСъ - молярная доля азота, метана, этана и пропана соответственно на входе в турбо дстандер; Ущ = 4,40 %, УСі = 89,29 %, УСз = 2,89 %, УСз = 1,73 % - объёмная доля азота, метана, этана и пропана соответственно в газе, поступающем в установку У-274.
Результаты расчетов по программе ИУ8У8 V 2.4.1 фирмы ИургоІеоЬ представлены в табл. 2, 3 и на рисунке.
Таблица 2
Зависимость степени влажности парожидкостной смеси на выходе из турбодетандера от величины изоэнтропийного КПД турбодетандера
Изоэнтропийный КПД турбодетандера п Степень влажности у парожидкостной смеси на выходе из турбодетандера
0,5 0,0976
0,55 0,1028
0,6 0,1079
0,65 0,1132
0,7 0,1188
0,75 0,1245
0,8 0,1306
0,85 0,1368
0,9 0,1434
0,95 0,1502
1,00 0,1572
Таблица 3
Зависимость температуры парожидкостной смеси на выходе из турбодетандера от величины изоэнтропийного КПД турбодетандера
Изоэнтропийный КПД турбодетандера п Т емпература парожидкостной смеси на выходе из турбодетандера, °С
0,5 -98,93
0,55 -99,86
0,6 -100,7
0,65 -101,6
0,7 -102,4
0,75 -103,2
0,8 -103,9
0,85 -104,6
0,9 -105,3
0,95 -105,9
1,00 -106,5
Изоэнтропийный КПД
Зависимость степени влажности парожидкостной смеси на выходе из турбодетандера от изоэнтропийного КПД турбодетандера
Как следует из табл. 2 и рисунка, степень влажности m ~ 10 % в парожидкостной смеси на выходе из турбодетандера соответствует величине изоэнтропийного КПД турбодетандера п ~ 0,55.
Согласно [2], для современных парожидкостных турбодетандеров п = 0,6...0,7. Это несколько выше значений, полученных нами. Следовательно, один из возможных путей снижения энергозатрат в блоке отбензинивания установки У-274 - повышение величины изоэнтро-пийного КПД турбодетандера до величины, которая достигнута в лучших современных парожидкостных турбодетандерах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Моисеев А. А. Судовые паровые турбины. - М.: Морской транспорт, 1958. - 464 с.
2. Архаров А. М., Марфенина И. В., Микулин Е. И. Криогенные системы. Т. 1. Основы теории и расчета. -М.: Машиностроение, 1996. - 576 с.
Статья поступила в редакцию 18.06.2009
THE ESTIMATION OF THE VALUE OF ISOENTROPIC COEFFICIENT OF EFFICIENCY OF VAPOR-LIQUID TURBO-EXPANDER IN THE STRIPPING BLOCK OF THE INSTALLATION S-274 AT THE ASTRAKHAN GASPROCESSING PLANT
A. E. Semenov, A. M. Tseitlin, R. Sh. Dzhumaliev
The estimation of the value of the isoentropic coefficient of efficiency of the turbo-expander n has been carried out with the help of the computer program HYSYS v 2.4.1 of the company Hyprotech. Ltd. The degree of moisture m of vapor-liquid compound at the exit from the turbo-expander depending on n has been defined. The gas temperature at the entrance into the turbo-expander has been equal -50 °C, the pressure - 6 MPa; the pressure at the exit from the turbo-expander has been equal 1.5 MPa. The molar parts of the gas compound components at the entrance into the turbo-expander have been taken as following: methane (CH4) -90, 82 %, ethane (C2H6) - 2.94 %, propane (C H8) - 1.76 %, nitrogen (N2) -4.48 %. According to the calculations by n = 0.5 m = 9.796 %; by n = 0.55 m = 10.28 %; by n = 0.6 m = 10.79 %. As an operating turbo-expander has m ~ 10 %, the value of the isoentropic coefficient of efficiency is apparently equal n ~ 0.55.
Key word: turbo-expander, vapor-liquid mixture, isoentropic coefficient of efficiency, moisture degree, gas temperature, gas pressure, molar part, components of gas mixture.
