К вопросу неэффективности применения существующей технологии борьбы с гидратообразованием на ГРС Приморского края



Ключевые слова: газораспределительная станция, эффект Джоуля-Томсона, огневой подогреватель газа.

В России система доставки продукции газовых месторождений до потребителей газопроводным транспортом представляет собой единую технологическую цепочку, включающую в себя газораспределительные станции (ГРС), основной задачей которых является бесперебойное снабжение потребителей газом за счет понижения давления и поддержания его на требуемом уровне [2,3].

В настоящее время, газораспределительные станции в зависимости от назначения и требуемых параметров сооружают преимущественно по типовым проектам. В большинстве существующих ГРС для понижения давления среды используется процесс дросселирования, когда создается регулируемое гидравлическое сопротивление потоку газа, а для повышения температуры газа перед регуляторами — газовые подогреватели. Необходимость подогрева газа перед редуцированием связана с тем, что дросселирование давления сопровождается (согласно эффекту Джоуля-Томсона) охлаждением газа, создающим опасность закупорки трубопроводов и оборудования ГРС газовыми гидратами.

Как правило, предварительный подогрев газа осуществляется за счет сжигания части транспортируемого газа, что не отвечает требованиям энергосбережения. Кроме того, установка и работа греющих котлов приводит к усложнению технологической схемы ГРС.

Согласно государственной программе Приморского края «Энергоэффективность, развитие газоснабжения и энергетики в Приморском крае» на 2013–2020 годы [4] важным приоритетом государственной политики в сфере развития газоснабжения и энергетики является снижение потерь при выработке и транспортировке энергоресурсов, и вместе с тем повышение эффективности энергопотребления.

В нашем исследовании объектом модернизации была выбрана газораспределительная станция ГРС «Большой Камень». В составе технологического оборудования ГРС присутствуют три подогревателя газа ПТПГ-30М с промежуточным теплоносителем (рис. 1).

Рис. 1. Технологическая схема узла подогрева газа на ГРС-Большой Камень [1]

По адаптированной методике Газпроммаша [1] был произведен расчет объема топливного газа G_топл для разных режимов работы ГРС — Большого Камня. В расчете были приняты следующие значения: максимальная фактическая производительность ГРС G=60 тыс. м³/ч; необходимая температура газа на выходе из ГРС t_вх =0℃; давление на выходе р_вых=1,2Мпа; коэффициент дроссель-эффекта α_дж-т = 5 град/МПа. Учитывались также индивидуальные характеристики газа и подогревателя ПТПГ-30М.

Объем требуемого газа можно рассчитать исходя из формулы 1:

(1)

гдеQ_треб — требуемое количество теплоты для подогрева газа на (t_гг — t_вх) градусов, ккал/м³;

С_{вх —} теплоемкость газа на входе в ГРС, ккал/(м³∙°С); ρ — плотность газа, кг/м³;

— низшая теплота сгорания природного газа, ккал/м³; η_подог — КПД подогревателя;

G_гг — количество подогреваемого газа, м³/ч. Определяется по формуле 2:

, (2)

где C_гг, C_см — теплоемкости горячего газа и газа на входе в узел редуцирования соответственно, ккал/(м³∙°С);

t_гг — температура горячего газа на выходе из подогревателей, °С. Определяется по формуле 3:

,(3)

где К — коэффициент, учитывающий колебания загрузки подогревателя;

Δt_{под —} перепад температур на входе-выходе из подогревателей, °С.

t_см — температура газа на входе в узел редуцирования, °С. Определяется по формуле 4:

,(4)

гдеt_{вых —} температура газа на выходе, °С. По данным Газпроммаша [1] температура газа на выходе ГРС должна удерживаться в пределах от 0 до 6ºС. Практика показывает, что такой уровень поддерживается на отметке t_вых = 0 °С.

Температура газа в ходе редуцирования снизится на величину Δt_дж-т, °С:

, (5)

р_{вх —} входное давление газа на ГРС, МПа.

Используя вышеизложенную методику расчета, мы выяснили, какой объем газа требуется сжигать в подогревателях для всех возможных вариаций давления и температуры на входе в ГРС-Большой Камень (таблица 1). Закрашенные ячейки указывают на значения входных параметров, при которых подогрев газа не требуется.

Таблица 1

Объем требуемого газа, G_топл, м³/ч.

Pвх, МПа	tвх, °С
	0	1	2	3	4	5	6	7	8
2	32,75	23,32	13,71	3,93
2,5	53,22	43,97	34,56	24,97	15,20	5,24
3	73,69	64,63	55,40	46,01	36,43	26,68	16,74	6,60
3,5	94,16	85,28	76,25	67,04	57,67	48,11	38,38	28,45	18,34
4	114,63	105,94	97,09	88,08	78,90	69,55	60,02	50,30	40,40
4,5	135,09	126,60	117,94	109,12	100,14	90,99	81,66	72,15	62,46
5	155,56	147,25	138,78	130,16	121,38	112,43	103,30	94,01	84,53
6	196,50	188,56	180,48	172,24	163,85	155,30	146,59	137,71	128,65
7	237,44	229,87	222,17	214,32	206,32	198,17	189,87	181,41	172,78
7,4	253,81	246,40	238,84	231,15	223,31	215,32	207,18	198,89	190,43

По полученному расходу подогреваемого газа G_гг выбираем необходимое количество n подогревателей ПТПГ-30М исходя из зависимости (6):

,(6)

где G_под — производительность подогревателя, м³/ч; К₁ — коэффициент, учитывающий сезонные, суточные изменения производительности ГРС (таблица 2). Результаты в заштрихованных ячейках свидетельствуют о том, что данной области значений пропускной способности двух подогревателей будет уже недостаточно. В области закрашенных ячеек подогрев газа не требуется.

Таблица 2

Количество подогревателей n, ед.

Pвх, МПа	t_вх, °С
	0	1	2	3	4	5	6	7	8
2	1	1	1	1
2,5	2	2	1	1	1	1
3	3	2	2	2	2	1	1	1
3,5	3	3	3	2	2	2	2	1	1
4	4	3	3	3	3	2	2	2	2
4,5	4	4	4	4	3	3	3	3	2
5	5	5	4	4	4	4	3	3	3
6	6	6	6	5	5	5	5	4	4
7	7	7	7	7	6	6	6	6	5
7,4	8	7	7	7	7	7	6	6	6

На основе выявленных зависимостей был построен график (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость требуемого объема газа и количества подогревателей от температуры и давления на входе в ГРС-БК

Во-первых, результаты показывают, что в текущем режиме работы ГРС в подогревателях затрачивается до 0,04 % транспортируемого газа, а если станция выйдет на проектную мощность, то сжигать придется около 0,1 % топливного ресурса.

Во-вторых, следует отметить, что при настоящем режиме эксплуатации ГРС (Р_вх ≤ 3 МПа, tвх ≥2,5°C) достаточно включать в работу 1 или 2 подогревателя ПТПГ-30М. Однако, если давление на входе в ГРС увеличится хотя бы до нижней проектной величины (Р_вх =4,5 МПа), трёх таких подогревателей может быть недостаточно.

Но на этом негативные стороны применения ПТПГ не заканчиваются. Помимо того, что существует потребность в несении затрат, связанных с установкой механизмов подогрева, их ремонтированием и заменой в будущем, использование такого способа борьбы с гидратами несет за собой еще и затраты на природоохранные мероприятия.

Согласно данным компании Universal Vortex [6], при подогреве газа на установках декомпрессии мощностью 85 нм³/час будет выделяться 0,98 кг/час углекислого газа, для расхода 283 нм³/час — 3,27 кг/час СО₂. Тогда, к примеру, на ГРС-БК г. Большой Камень, c производительностью 66 тыс. м³/час, если сжигать в среднем 0,05 % от общего расхода, т. е. 80 нм³/час, выделяется 0,92 кг СО₂ в час.

Данные получены на основе химического уравнения горения метана (1):

CH₄ +2О₂ = CO₂+ 2H₂0 (1)

Из уравнения (1) следует, что 1 кг-моль CH₄ соответствует 1 кг-моль CO₂. И так как 1 кг-моль CH₄ =16 кг и 1 кг-моль CO₂ = 44 кг, то 1 кг сжигаемого метана произведет 2,75 кг CO₂. А если учесть, что сжигается не чистый метан, а природный газ, то к перечню загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферный воздух, добавляются еще и угарный газ, оксид азота, бензапирен, диоксиды азота и серы [5].

Таким образом, решение проблемы снижения давления газа на ГРС без применения антигидратных мероприятий является актуальной научно-технической задачей. Для ее решения нашим исследовательским коллективом предлагается разработать для ГРС Приморского края (и для ГРС г. Большого Камня, в частности) комплекс изотермического редуцирования газа на основе вихревого эффекта. Об этом исследовании и идеях его реализации подробнее изложено в материалах ранее опубликованных работ [2,3].

Литература:

1. Станция Газораспределительная блочная ГРС «Газпромаш-80» / Паспорт ГМП80–07–00.00.00 ПС — 2016 г.
2. Кузьмин Д. С. Дипломная работа «Разработка вихревого регулятора давления газа для технологических нужд ГРС», — Владивосток, 2017.
3. Миронов Д. Ю. К вопросу внедрения технологического комплекса редуцирования давления газа на ГРС // Сборник региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука, техника, промышленное производство: история, современное состояние, перспективы» — 2017.
4. Постановление от 7 декабря 2012 г. № 390-па об утверждении государственной программы Приморского края «Энергоэффективность, развитие газоснабжения и энергетики в Приморском крае» на 2013–2020 годы (изм. от 19.02.2016 № 64-па).
5. СТО Газпром 2–1.19–058–2006 Инструкция по расчету и нормированию выбросов ГРС (АГРС, ГРП), ГИС. Разработан ОАО «Промгаз».
6. L. Tunkel, R. Gale. Energy savings accompany cleaner CNG decompression process. // Pipeline & Gas Journal. 2016. № 243.