CC BY
65
УДК 621.64
И.Г. Бебешко, И.А. Федоров, В.А. Скуфинский, А.И. Шелякин
Совершенствование и использование эжекционной технологии как одно из направлений повышения энергоэффективности эксплуатации ПХГ
Повышение энергоэффективности предприятий в настоящее время является одной Ключевые слова: из главных стратегических задач государства. Последовательная энергосберегаю- энергоэффек-щая политика ПАО «Газпром», проводящаяся в рамках общегосударственной стра- тивность, тегии развития, предусматривает достижение высокого уровня энергоэффективно- подземное сти и максимальную реализацию потенциала энергосбережения для устойчивого хранилище газа, роста компании. Выполнение этих задач возможно путем применения инновацион- газовый эжектор, ных энергосберегающих технологий и оборудования. эксплуатация
Одна из потенциальных возможностей повышения энергетической эффектив- газохранилища, ности эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) - использование эжекторных моделирование установок в различных технологических процессах закачки и отбора газа. Это обу- течения газа, словлено наличием, с одной стороны, потерь низконапорного газа, стравливаемого в модель атмосферу, а с другой - избыточной энергии высоконапорных потоков газа, зачастую турбулентности. впустую теряемой в дроссельных регулирующих устройствах без совершения полезной работы. Keywords:
Несмотря на многолетнюю практику применения эжекторов в газовой промыш- energy efficiency, ленности [1-3], до сих пор определенные аспекты теории и практики процесса эжек- underground gas тирования недостаточно исследованы: storage,
1) существующие методики расчета процесса эжектирования не в полной мере gas ejector, учитывают свойства природного газа и конструктивные особенности эжектора. gas storage Зачастую режимы работы газовых эжекторов отлаживают экспериментально, что operation, приводит к дополнительным затратам материальных, человеческих и энергоресур- gas flow modelling, сов. К тому же, учитывая чувствительность работоспособности газового эжектора turbulence model. к изменению давления газа во входных и выходном коллекторах, необходимо рассчитывать газодинамическое взаимодействие эжектора с окружающим технологическим оборудованием;
2) не в полной мере исследованы возможности повышать энергоэффективность эксплуатации ПХГ путем реализации различных вариантов взаимодействия имеющихся высоконапорных и низконапорных потоков газа;
3) многообразие различных видов технических средств эжектирования требует анализа и систематизации их конструктивных особенностей и, в конечном счете, обоснованного выбора конструкции газового эжектора, оптимальной для практического использования в эксплуатационных условиях ПХГ.
Таким образом, с точки зрения повышения энергоэффективности эксплуатации ПХГ задача совершенствования и применения эжекционной технологии, включая метод расчета процесса эжекции, конструкцию газового эжектора и технологические схемы взаимодействия высоконапорных и низконапорных потоков газа на ПХГ, является актуальной.
Оценка возможности использования эжекторных установок в отдельных технологических процессах эксплуатации ПХГ свидетельствует, что повышения энергоэффективности возможно достичь путем:
• снижения энергозатрат и вредных выбросов при совместной работе газоперекачивающих агрегатов и газовых эжекторов в начальный период закачки газа;
• утилизации газа при разгрузке контуров газоперекачивающих агрегатов и системы газопроводов;
• интенсификации отбора газа из хранилища при наличии источника высоконапорного
газа;
• разгрузки техногенных залежей (в случае их наличия) с использованием пластовой энергии основного объекта хранения газа.
Разработанные применительно к различным технологическим процессам эксплуатации ПХГ эжекционные технологии в настоящее время находятся как в стадии теоретической проработки, так и в стадии промышленного внедрения. Вариант применения совместной работы газоперекачивающих агрегатов и эжекторной установки уже реализован на отечественном и зарубежном ПХГ [4, 5]. При этом достигнуто увеличение производительности закачки на 30 % при снижении затрат электроэнергии на 10 %.
В ходе практической реализации данных проектов выявлена необходимость более детального численного моделирования течения газа в эжекторе с учетом термодинамических свойств природного газа и геометрии проточной части. Построение адекватной математической модели течения газа в эжекторе возможно при следующих составляющих:
• описание с высокой точностью процесса турбулентного смешения потоков газа высокого и низкого давления;
• точное построение сложной геометрии проточной части для построения сетки и проведения расчета;
• расчет течения газа в эжекторе с применением уравнения состояния реального газа.
В качестве среды моделирования выбран программный продукт ANSYS CFD, позволяющий решать задачи вычислительной гидрогазодинамики методом конечных элементов. Применительно к поставленной исследовательской задаче наиболее подходящим оказался пакет ANSYS CFD Fluent, использующий метод конечных объемов (т.е. числовые значения в центрах расчетных ячеек). Здесь для потока газа осуществляется расчет уравнения неразрывности, законов сохранения импульса и энергии, а также уравнений для выбранной модели турбулентности [6].
Для корректного описания процесса смешения и течения потоков в сложной геометрии проточной части эжектора проведена оценка
применимости существующих моделей турбулентности. Наиболее распространенными из них являются модели:
• «к - е». Сильная сторона - моделирование свободного (не ограниченного стенками) течения. Пристеночные течения (пограничный слой) и течения с большими градиентами давления (скачки уплотнения) моделируются хуже;
• «к - ю». Подходит для моделирования пристеночных течений, однако хуже моделирует свободное течение;
• SST (англ. Shear Stress Transport). Представляет собой комбинацию первых двух моделей. В области пограничного слоя применяется система уравнений модели «к - ю», а в области свободного течения - модели «к - е»;
На построенной фактической геометрии и одинаковой расчетной сетке достаточной точности проведены расчеты с использованием перечисленных моделей. При использовании для расчета модели турбулентности «к - е» на картине поля продольной компоненты скорости в проточной части эжектора наблюдаются флуктуации потока в области скачков уплотнения (рис. 1). Это свидетельствует о том, что в центральной области камеры смешения сразу за соплом возникает вихревое течение. Однако, согласно экспериментальным данным, такого режима в этой области не наблюдается, и с большой долей вероятности можно судить о неверном решении задачи при использовании модели турбулентности «к - е» [7, 8]. По картине продольной компоненты скорости в зоне перехода камеры смешения в диффузорную часть наблюдается достаточно низкая разрешающая способность (рис. 2). То есть с использованием модели турбулентности «к - е» не удается точно определить картину изменения скорости при изменении геометрии стенок.
При использовании для расчета модели турбулентности «к - ю» на картине поля продольной компоненты скорости в проточной части эжектора наблюдается сильно упрощенное представление течения на удалении от стенок (см. рис. 1). То есть течение в центральной зоне камеры смешения определено как фактически однородное и имеющее одну скорость. Однако, согласно экспериментальным данным, течение в данной области имеет различные скорости [7, 8]. По картине продольной компоненты скорости в зоне перехода камеры смешения в диффузорную часть видно образо-
п
592,6 561,4 499
. 436,6 374,3 311,9 249,5 187,1 124,8 62,4 0
м/с
Рис. 1. Поле продольной компоненты скорости в начальном участке камеры смешения.
Модель: а - «к - £»; б - «к - ю»; в - 88Т
П
592,6
561.4 499 436,6
1 374,3 311,9
249.5 187,1 124,8 62,4 0
м/с
Рис. 2. Поле продольной компоненты скорости в зоне перехода камеры смешения в диффузорную часть. Модель: а - «к - £»; б - «к - ю»; в - 88Т
вание четкого скачка уплотнения (см. рис. 2), чего, по данным экспериментов, также быть не может [7, 8]. Следовательно, можно сделать вывод о неверном расчете модели с применением модели турбулентности «к - ю».
При использовании модели 88Т наблюдаются как достаточно полное описание пристеночного течения в зоне смешения и начале диффузорной части, так и полное описание свободного течения с отсутствием флуктуа-ций, вызванных ошибками метода решения (см. рис. 1 и 2). Анализ полученных результа-
тов позволил обоснованно выбрать необходимую для точного расчета течения газа модель турбулентности 88Т.
Рассматривалось влияние на точность расчета уравнения состояния газа. Первоначально ввиду сложности уравнений для реального газа задача течения газа в эжекторе решалась аналитически лишь с применением уравнения состояния идеального газа. Однако для процесса турбулентного смешения с явным сильным влиянием сжимаемости потока использование уравнения состояния идеального газа
а
б
в
а
б
в
дает существенную погрешность. Так, в модели наблюдаются области увеличения плотности, характер которых явно указывает на их возникновение вследствие ошибок решения (рис. 3). При сравнении результатов расчета течения с использованием уравнения состояния идеального газа и фактических данных ошибка по объемному расходу газа составила 12-20 %.
Метод расчета течения газа в эжекторе с применением уравнения идеального газа может быть применен для осуществления первых прикидочных расчетов. Однако для более точного решения задачи необходимо использовать уравнение состояния реального газа. Среди них для решения задачи с отсутствием фазовых переходов и наличием скачков уплотнения в картине течения наиболее подходящим является уравнение Редлиха-Квонга в силу более полного учета в нем фактора сжимаемости газа.
Результаты расчета сравнивались с фактическими данными работы эжектора на ПХГ. При расчете задавались величины давлений на входах и выходе эжектора, а сравнение проводилось по объемным дебитам газа высокого и низкого давления и общему дебиту. На большинстве режимов работы эжектора ошибка составила не более 2 %, что соизмеримо с величиной погрешности промысловых замеров.
После верификации математической модели с использованием промысловых данных проведена серия расчетов для следующих диапазонов входных и выходного давлений газа:
• давление газа, поступающего с магистрального газопровода, на входе в эжектор -от 39 до 45 бар;
• давление газа, поступающего с аппарата воздушного охлаждения после компрессора, на входе в эжектор - от 60 до 80 бар;
• противодавление системы ПХГ на выходе из эжектора - от 39 до 57 бар.
На основе полученных данных создана упрощенная математическая модель для определения параметров работы эжектора. Ее расчет на стандартном персональном компьютере занимает менее 1 мин машинного времени, в то время как расчет одного варианта полноценной модели занимает более 8 ч машинного времени. Данная упрощенная модель впоследствии была интегрирована в программный комплекс для расчета технологических режимов работы ПХГ и во время промысловых испытаний доказала свою работоспособность.
На рис. 4 показана принципиальная технологическая схема совместной работы газоперекачивающего агрегата и эжектора в начальный период закачки газа. Расхождение между расчетными и фактическими данными эксплуатации эжектора с учетом газодинамического взаимодействия с прилегающим технологическим оборудованием составило не более 5 %.
Одним из составляющих элементов эжек-ционной технологии является сама конструкция газового эжектора. Для обеспечения энергоэффективности процесса эжектирования к конструкции эжектора предъявляются требования по максимально возможному снижению гидравлических потерь, вместе с тем она должна быть технологична в изготовлении, проста и надежна в эксплуатации. Так, полученная точная математическая модель расчета течения в эжекторе позволяет оптимизировать непосредственно конструкцию эжектора. В данном случае расчетным путем выявлена возможность уменьшения длины камеры смешения без ухудшения рабочих характеристик всего устройства.
Учитывая, что газодинамические потери пропорциональны квадрату скорости, для их минимизации необходимо обеспечить наибольшую обтекаемость конструктивных элемен-
I
44,34 42,68 39,36 36,03 32,70 29,38 26,05 22,72 19,40 16,07 12,74 кг/м3
Рис. 3. Поле плотности в начальном участке камеры смешения
Рис. 4. Расположение эжектора в технологической цепи ПХГ:
1 - магистральный газопровод; 2 - компрессор; 3 - аппарат воздушного охлаждения газа; 4 - эжектор; 5 - газораспределительный пункт; 6 - шлейфы скважин
6
тов в зонах с наиболее высокими значениями скоростей потока. Конструктивные сочленения сборочных единиц там, где трудно обеспечить отсутствие зазоров, уступов и пр., целесообразно вынести в зоны проточной части эжектора с меньшими значениями скоростей потоков. Так, например, в некоторых конструкциях эжектора величина конструктивного зазора между камерой смешения и диффузором может достигать 3 мм. Наличие такого зазора приводит к потерям полного давления, равным 0,04 ЬЮ0, где Ь - ширина зазора, Б0 - диаметр начального сечения диффузора [9]. Перенесение стыка в зону диффузора, где площадь его сечения увеличивается, например, в 1,5-3 раза, уменьшает потери давления в стыке на 55-90 %.
В настоящее время разработан и внедрен на двух ПХГ газовый эжектор, наиболее полно удовлетворяющий предъявляемым требованиям. При этом в качестве базовой принималась конструкция газового эжектора, вне-
дренного на одном из российских ПХГ [10]. Основная цель конструктивных изменений состояла в сокращении гидравлических потерь в самом эжекторе. В результате создан компактный, простой по конструкции и вместе с тем надежный и удобный для монтажа и эксплуатации газовый эжектор [11] (рис. 5).
Эжектор состоит из корпуса 3, внутри которого установлены сопло 13 и камера смешения 15. Для подвода активного и пассивного газов и отвода смешанного газа в корпусе выполнены соответствующие отверстия. В зоне отверстий на корпусе 3 выполнены проточки под уплот-нительные кольца 10,11, 21 и резьбовые отверстия под установочные штифты 18, 20 для закрепления переходников газопроводов подвода активного и пассивного газов.
На сопло 13 навинчивается центрирующая втулка 12, длина которой обеспечивает расчетный зазор между срезом сопла и входом в камеру смешения 15.
Рис. 5. Эжектор газовый [10]:
1 - корпус диффузора; 2 -диффузор-переходник; 3 - корпус эжектора; 4, 6 - переходники; 5, 7, 8 - фланцы приварные; 9 - упорная шайба; 10, 11, 14, 21 - уплотнительные кольца; 12 - центрирующая втулка; 13 - сопло; 15 - камера смешения; 16, 17 - гайки; 18, 19, 20 - установочные штифты
Сопло 13 совместно с центрирующей втулкой 12 поджимается переходником 6 к камере смешения 15. Ограничение усилия прижима центрирующей втулки 12 к смесительной камере 15 обеспечивается установкой упорной шайбы 9.
Одна торцевая часть камеры смешения 15 сочленена со щелевой центрирующей втулкой 12, а другая соосно расположена в цилиндрической проточке корпуса диффузора 1. Для обеспечения плавного (бесступенчатого) герметичного сопряжения камеры смешения 15 и корпуса диффузора 1 торец камеры смешения 15 и ответная часть проточки в корпусе диффузора 1 выполнены коническими. Для удобства изготовления и транспортировки диффузор эжектора выполнен из двух секций 1 и 2, соединенных между собой фланцами. Герметичность эжектора обеспечивают уплот-нительные кольца 10,11, 14, 21.
При работе эжектора подача активного газа происходит со стороны переходника 6, пассивного газа - со стороны переходника 4, отвод смешанного газа осуществляется через диффузор 2.
Основные достоинства разработанной конструкции:
• обеспечение высокоточной соосности элементов проточной части эжектора без существенного удорожания его стоимости;
• малое газодинамическое сопротивление всех участков проточной части газового эжектора, обеспечивающее его высокий КПД;
• возможность малотрудоемкой замены элементов проточной части, позволяющей легко перенастроить диапазон рабочих параметров;
• отсутствие сварных соединений, благодаря чему увеличивается ресурс работы эжектора и снижается шум.
Таким образом, представленные решения по совершенствованию и использованию эжекционной технологии, включая усовершенствованный метод расчета процесса эжек-ции, конструкцию газового эжектора и технологические схемы взаимодействия высоконапорных и низконапорных потоков газа, позволят с наибольшей эффективностью использовать потенциальные возможности энергосбережения при эксплуатации ПХГ.
Список литературы
1. Кульков А.Н. Перспективы использования эжекторной технологии в газовой промышленности / А.Н. Кульков,
Ю.Б. Салихов, Н.Р. Колушев и др. // Проблемы эффективности производства на северных нефтегазодобывающих предприятиях: материалы НТК. - М.: ИРЦ Газпром, 1994. - Т. 1. - С. 127-143.
2. Харитонов В. Т. Исследование эффективности газового эжектора с цилиндрической камерой смешения / В.Т. Харитонов // Теплоэнергетика. - 1978. - № 4. - С. 32-33.
3. Царев И.Н. Повышение эффективности работы компрессорных агрегатов на действующих
и проектируемых газохранилищах / И.Н. Царев, В.Н. Лавров, Г.И. Солдаткин и др. // Газовая промышленность. Серия: Транспорт и хранение газа. - 1981. - Вып. 8. - С. 28-29.
4. Арутюнов А.Е. Возможность оптимизации режима закачки газа в подземное газохранилище при совместной работе компрессорных агрегатов и эжекторных установок / А.Е. Арутюнов, А.Ф. Потрясаев, И.Г. Бебешко // Подземное хранение газа. Проблемы и перспективы: сб. науч. тр. -М.: ВНИИГАЗ, 2003. - С. 314-317.
5. Busack V. Development and implementation
of energy-efficient technologies for gas injection at underground gas storage facilities / V. Busack, W. Becker, C. Fenin et al. // Gas for energy. -2013. - № 2. - С. 52-54.
6. ANSYS 14.5 CFD Fluent Theory Guide. - 2013.
7. Аркадов Ю.К. Новые газовые эжекторы
и эжекционные процессы / Ю.К. Аркадов. -М.: Физматлит, 2001. - С. 184-189.
8. Александров В.Ю. Оптимальные эжекторы. Теория и расчет /
В. Ю. Александров, К. К. Климовский. -М.: Машиностроение, 2012. - 136 с.
9. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик; под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1992. - С. 158.
10. Пат. РФ № 2151920, МПК51 F04F5/14. Газовый эжектор / В. Т. Харитонов,
Н.Р. Колушев, И.Н. Царев и др.; № 97112641; заявл. 24.07.1997; опубл. 27.06.2000, бюл. № 18. - 9 с.
11. Пат. РФ № 2559115, МПК51 F04F5/14. Газовый эжектор / Г.Н. Рубан, И.Г. Бебешко, А.И. Скуфинский; № 2014118823; заявл. 08.05.2014; опубл. 10.08.2015,
бюл. № 22. - 9 с.
