Возможные пути решения этой проблемы заключаются в следующем:
выработка экологически чистого холода при температуре от –20 до –30 °С для замораживания и длительного хранения продуктов;
генерация холода для технологических целей с более высоким КПД, чем дросселирование (подготовка углеводородного газа к транспорту, получение топливного газа для газопоршневых и газотурбинных электростанций).
В последнее время все большую популярность в газовой, нефтедобывающей и химической промышленности приобретают весьма простые, надежные и достаточно эффективные генераторы холода – регулируемые вихревые трубы (ВТ) Ранка-Хилша [1, 2]. От обычных ВТ они отличаются наличием механизма плавного изменения площади соплового ввода, что позволяет разработчикам установок очистки и осушки газов естественным образом включать их в схемы АСУ ТП.
Настоящая статья демонстрирует термодинамические возможности промышленной регулируемой ВТ производительностью до 52 000 нм3/ч на основе широкого спектра экспериментальных данных, полученных в течение многолетней эксплуатации ее в составе демонстрационной холодильной установки. Технологическая схема установки, смонтированной на газораспределительной станции (ГРС), приведена на рис. 1. Она работает следующим образом.
Природный газ высокого давления поступает тангенциально в прямоугольное сопло регулируемой вихревой трубы 3, где происходит его расширение, закрутка и разделение на холодный и горячий потоки (эффект Ранка-Хилша). Холодный поток проходит теплообменники 1 и 2 типа «труба в трубе», охлаждая поступающий в них водный раствор диэтиленгликоля (ДЭГ). Горячий поток ВТ смешивается с газом на выходе из теплообменников; суммарный поток природного газа поступает в коллектор низкого давления. Охлажденный раствор ДЭГ направляется на вход насоса 4 и далее в воздухоохладитель 6. Отдав холод воздуху, циркулирующему в холодильной камере 7 с помощью вентилятора 5, хладоноситель возвращается на охлаждение в теплообменники 1, 2.
Устройство для регулирования площади соплового ввода ВТ схематично представлено на рис. 2. Его основным элементом является клинообразная задвижка 5, которая приводится в движение штоком 2, соединенным с мембранным исполнительным механизмом (МИМ) поз. 9 (см. рис. 1). Управление механизмом МИМ осуществляется с помощью редуктора 8. Шток 2 и задвижка 5 соединены между собой шарниром 4. Термодинамические характеристики регулируемой ВТ изучались в зависимости от отношения давлений π = Рв /Рх, доли холодного потока μ = Vх /Vв и степени открытия соплового ввода с = Fс /Fс max, где Fс – текущая площадь сопла. На рис. 3, в качестве примера, приведены графики эффектов охлаждения Δ Тх = (Тв – Тх) и нагрева Δ Тг = (Тг – Тв) газа в функции μ при двух значениях отношения давлений (π = 5,1 и 2,0) и фиксированной степени открытия сопла с = 0,83. Здесь же приведен график удельной холодопроизво-дительности qх (qх = Δ Тх μ).
В целом полученные зависимости типичны для вихревого эффекта, в том числе функция qх = f (μ), имеющая экстремум при 0,7. Однако следует отметить и осо- бенности. Так, максимальное значение Δ Тх приходится на долю холодного потока, близкое к μ = 0,0. Это отличается от данных, полученных на природном газе другими авторами. Обычно этот экстремум приходится на диапазон значений μ = 0,2–0,40.
Еще одна особенность графика Δ Тх = f (μ) состоит в том, что величина Δ Тх при μ = 1,0 превышает эффект дросселирования Δ Тдр, который должен быть в этом случае и теоретически, и практически. Причем полученное превышение Δ Тх на 5–6 °С нельзя свести только к неадиабатности не заизолированной вихревой камеры ВТ.
Сразу отметим, что в указанных граничных значениях μ (μ→0,0; μ = 1,0) наблюдалась повышенная акустика ВТ, с чем, как оказалось в дальнейшем, и связаны эти аномалии. Об этом будет еще сказано ниже.
Известно, что эффективность ВТ зависит от относительной площади проходного сечения сопла с = Fс /Fтр и соотношения сторон прямоугольного соплового ввода bc/hc [3], т.е. именно от тех параметров, которые изменяются в процессе регулирования расхода газа через ВТ. Многочисленные эксперименты в области вихревого эффекта показали, что параметр bc /hc по своей значимости является величиной второго порядка по сравнению с с, поэтому в проведенном нами экспериментальном исследовании параметр с (его эквивалент – с) принят определяющим.
На рис. 4 приведены зависимости Δ Тх = f (с, с) при μ = 0,3 и 0,7 (среднее значение отношения давлений π ср = 5,4). Как видно из рисунка, ход кривых в диапазоне изменения с, равный 1,00–0,50, достаточно пологий. При этом отклонение Δ Тх от среднего уровня значений составляет не более ± 2,5 °С. В области с = 0,33 снижение Δ Тх более существенно, однако и эти показатели вполне приемлемы для процесса регулирования производительности ВТ с помощью клиновидной задвижки. Поясним это на конкретном примере.
Если регулирование производительности ВТ с постоянной геометрией соплового ввода обеспечивалось бы регулятором на входе в ВТ (рис. 5), то трехкратное снижение расхода газа (до с = 0,33) потребовало бы пропорционального уменьшения Рв, а значит и снижения отношения давлений с π = 5,4 до π = 1,9. В этом случае температурная эффективность нерегулируемой ВТ при μ = 0,7 составит Δ Тх = 18 °С. Если прибавить к этой величине эффект дросселирования на регуляторе (Δ Тдр = 11,0 °С), то получим суммарное снижение температуры на холодном потоке ВТ, равное Δ Тх = 29,0 °С. В нашем же случае (при регулировании площади сопла) перепад температур на холодном потоке при с = 0,33, μ = 0,7 и π = 5,4 составит Δ Тх = 34 °С. Разница в эффективности двух методов регулирования даже при таком значительном уменьшении расхода газа очевидна. Она будет особенно существенной при работе ВТ на газах с небольшим дроссель-эффектом.
Регулируемая ВТ непрерывно эксплуатировалась на ГРС в течение 23 мес. и подвергалась двукратной ревизии. Первая была осуществлена после 2,5 мес. работы, вторая – спустя 11 мес. И если первый визуальный осмотр выявил лишь небольшую эрозию металла в местах сопряжения деталей соплового блока, то второй показал значительный эрозивный износ. Характер повреждений – многочисленные каверны, направленные навстречу газовому потоку. Их «диаметр» и глубина составляли от 2 до 7 мм. Остальные рабочие поверхности деталей ВТ находились в удовлетворительном состоянии.
Следует отметить стабильную работу аппарата по термодинамическим показателям за 11-месячный цикл работы. Только последние два-три месяца этого цикла наблюдались повышенная вибрация аппарата и усиление уровня шума (акустики). После второй ревизии вихревая труба вновь была пущена в работу, однако из-за значительной вибрации и шума пришлось до конца 23-месячного цикла эксплуатации придерживаться пониженного расхода газа (с = 0,33−0,17).
Особый интерес вызывало сравнение температурной эффективности ВТ в начале исследований и после длительной эксплуатации аппарата (рис. 6) с помощью зависимостей Δ Тх = f (π). Приведенные графики позволяют сделать парадоксальный вывод: температурная эффективность ВТ в заключительной серии испытаний выше на 7–9 °С (при μ = 0,8) по сравнению с первоначальными экспериментами. Таким образом, можно уверенно сказать, что в условиях дополнительно генерируемой акустики и вибраций, температурная эффективность ВТ возрастает.
Каковы же причины появившихся после многомесячной работы ВТ повышенной акустики и вибраций? Первоначально, исходя из результатов второй ревизии аппарата, был сделан вывод, что основная причина связана с эрозией соплового блока. Но этот вывод оказался неверным, т.к. ситуация нисколько не изменилась с установкой вновь изготовленного, абсолютно идентичного, «неэрозивного» блока.
Температурная эффективность нового соплового блока в условиях вибрации и повышенной акустики также превышала первоначально полученные термодинамические показатели ВТ. Так, например, точки режима № 1 (табл. 1), нанесенные на поле параметров (рис. 3), наглядно демонстрируют это преимущество. Такое же преимущество наблюдается и по Δ Тг. Следует отметить рекордную (за время всех испытаний регулируемой ВТ) разбежку температур холодного и горячего потоков, полученную в режиме № 1, которая составила 122 °С. В режиме № 3 также получено максимальное значение эффекта нагрева горячего потока за все время экспериментов (Δ Тг = 91,5 °С).
Дальнейший поиск причин возникновения вибраций показал, что они исходили от двух механических источников, а именно: от возникших зазоров в шарнирном соединении 4 (рис. 2) и от вибрирующей втулки на конце трубы горячего потока, смонтированной по ходовой посадке и разболтавшейся в процессе эксплуатации. Таким образом, экспериментально установлено, что эффект температурного разделения газа в вихревой трубе увеличивается с появлением повышенной акустики и вибраций. Это, как показано выше, наблюдалось не только на «вибрационных» режимах после длительной эксплуатации регулируемой ВТ, но и на начальной стадии экспериментов при граничных значениях доли холодного потока (μ→0,0 и μ→1,0). И в обоих случая наблюдается увеличение эффективности ВТ.
По нашему мнению, данные факты являются подтверждением ударно-волновой концепции вихревого эффекта, высказанной авторами публикации [4]. Согласно этой концепции, первопричиной энергетического разделения газа в ВТ являются не микрохолодильные циклы турбулентных «молей» в соответствии с наиболее распространенной гипотезы взаимодействия вихрей [3], а газодинамические продольные и поперечные акустические волны, приводящие к температурному расслоению расширенного газа, как вдоль вихревой камеры, так и по ее радиусу. При наличии дополнительных источников акустических волн в ВТ, ее температурная эффективность по такой трактовке должна возрастать. Это мы и наблюдали в проведенных экспериментах на регулируемой ВТ.
Было целесообразно сопоставить термодинамические характеристики регулируемой ВТ с конструкциями других авторов. Такое сравнение было выполнено по приведенному показателю эффективности, соотносящему показатель политропы n конкретной трубы к максимально достигнутой величине nmax в ряду сравниваемых труб (методика расчета параметров n и приведена в работе [5]). Результаты выполненного сравнения при значениях μ в области максимальной холодопроизводительности ВТ представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, максимальное значение политропы (nmax = 1,094) получено для регулируемой ВТ, работающей на вибрационном режиме. Но и на нормальном режиме регулируемая ВТ также имеет лучший по сравнению с конструкциями других авторов показатель эффективности. Лидирующее положение регулируемой ВТ говорит, прежде всего, об удачном исполнении узла регулирования, не вносящем негативных помех в процесс истечения высоконапорного газа в вихревую камеру.
В заключение коротко остановимся на результатах испытания рефрижераторной части демонстрационной холодильной установки. Сразу оговоримся, что основной недостаток рефрижераторной части – полное отсутствие тепловой изоляции на теплообменниках типа «труба в трубе», всех обвязывающих трубопроводах, металлической холодильной камере объемом около 30 м3 и оборудовании, примыкающем к ней. Отсюда следует вывод, что основная часть холодопроизводительности ВТ терялась в виде холодопотерь в окружающую среду. В этой связи, экспериментальные данные, полученные в таких неблагоприятных условиях, следует рассматривать в основном как качественные, показывающие при- нципиальную возможность использования холода, полученного на ГРС с помощью ВТ.
Показатели работы демонстрационной холодильной установки в летний период времени представлены в табл. 3. Для сопоставительной оценки уровня температуры, достигаемой в холодильной камере, в указанной таблице дается разность температур окружающей среды и холодильной камеры (Δ Ток = То – Тк). Наиболее низкая температура в холодильной камере была достигнута в режиме № 1 (Тк = 7,5 °С), а лучший показатель по Δ Ток был зарегистрирован в режиме № 2 (Δ Ток = 15 °С). В остальных режимах он колебался в диапазоне Δ Ток = 9,0 – 14,0 °С.
Следует отметить еще один недостаток технологической схемы апробированной холодильной установки, а именно, отсутствие рекуперации холода газового потока, выходящего из теплообменников 1 и 2 с температурой Тхт. Расчет теплового баланса установки с холодильной камерой размером 12 3 3,5 м, теплоизолированной слоем минеральной ватой толщиной 90 мм, показал, что без рекуперации можно получить Тк = 0,0 °С. Однако более низкую температуру в этом случае получить проблематично. По расчету, наличие в схеме рекуперативного теплообменника дает возможность иметь в холодильной камере Тк = –20 °С и ниже.
Таким образом, длительные испытания регулируемой вихревой трубы в составе демонстрационной холодильной установки на ГРС не только выявили ее превосходные термодинамические качества, но и позволили наметить пути совершенствования, как самого аппарата, так и холодильной установки в целом. При этом были получены неординарные экспериментальные данные по влиянию акустики и вибраций на эффективность энергетического разделения газа в вихревой трубе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рябов А.П., Гусев А.П., Жидков М.А., Жидков Д.А., «Трехпоточные вихревые трубы в нефтедобывающей и газовой промышленности (аналитический обзор)», Нефтегазовые технологии, февраль, 2007, с. 2–7.
Бетлинский В.Ю., Жидков М.А., Овчинников В.П., «Двухпоточные регулируемые вихревые трубы в промышленных установках очистки и осушки газов», Газовая промышленность, январь, 2008, с. 72–75.
Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его приме- нение в технике», М.: Машиностроение, 1969, 183 с.
Жидков М., Гусев А., Бетлинский В., Солдатов П., Овчинников В., Рябов А., «Трехпоточная вихревая труба успешно эксплуатируется на Капитоновском», OIL&GAS JOURNAL RUSSIA, январь, 2008 (в печати).
Жидков М.А., Комарова Г.А., Гусев А.П., Исхаков Р.М. «Взаимосвязь сепарационных и термодинамических характеристик трехпоточных вихревых труб», Химическое и нефтегазовое машиностроение, май, 2001, с. 8–11.
Базлов М.Н., Жуков А.И., Алексеев Т.С., «Подготовка природного газа и конденсата к транспорту», М: Недра, 1968, 215 с.
Райский Ю.Д., «Исследование работы вихревой трубы на газожидостных смесях», Газовая промышленность, июнь, 1967, с. 13–17.
Поршенев Н.В., Ходорков И.Л., «Опыт работы универсальной конической вихревой трубы на природном газе», Сибирский промышленник, март, 2004, с. 5–8.
Жидков М.А., «Низкотемпературная очистка газов с применение вихревого эффекта», Дис. к.т. н., М: ГИАП, 1982, 231 с.
Меркулов А.П., Меркулов С.А., «Вихревой холодильник на базе газораспределительной подстанции», Вихревой эффект и его применение в технике, Труды шестой Всесоюзной научно-технической конференции, Самара, 1992, с. 80–82.
Автор: В. Бетлинский, М. Жидков, В. Овчинников, Д. Жидков
