Утилизация уходящих газов



Содержание.

 

Перечень  чертёжных документов

 

№

п/п

Обозначение

Наименование

Формат

1.

140104.000.0000.006

Схема отопления

А1

2.

140104.000.0000.006

утилизационный  теплообменник

А2

3.

140104.000.0000.006

Чертёж резервной  котельной

А1

4.

140104.000.0000.006

Турбокомпрессорный  цех (поперечный разрез)

А2

5

140104.000.0000.006

схема станции  обезжелезивания

А2

5.

140104.000.0000.006

Схема электрическая 

А1

6.

140104.000.0000.006

Схема автоматизации 

А2


 

 

Реферат.

Дипломный проект предусматривает показать эффективность использования теплоты продуктов сгорания уходящих из газовой турбины для теплоснабжения газокомпрессорной станции, за счёт установки утилизационного теплообменника. В составе проекта выполнен поверочный расчёт утилизационного теплообменника

В расчетах используются данные, полученные  на газокомпрессорной станции «Ужгородская»

В части «Электроснабжение» рассматриваются вопросы подвода  электроэнергии к циркуляционной насосной, обеспечение надежной и безопасной эксплуатации системы электропитания. Здесь же производится выбор электродвигателей, кабелей, аппаратов защиты. Прилагается схема электроснабжения.

В разделе «  КИП и автоматика» представлена схема автоматизации утилизационного теплообменника и необходимая контрольно- измерительная аппаратура. Прилагается схема автоматизации.

В разделе «Экономическая часть» выполнен расчет экономии топлива за счёт использования утилизационных теплообменников для отопления газокомпрессорной станции.  (вместо водогрейной котельной)

Оценка производственных вредных и опасных факторов для персонала и окружающей среды, проводится в разделе «Безопасность жизнедеятельности». Рассматриваются вопросы минимизации вредных воздействий, нейтрализации отходов производства, обеспечение нормальных комфортных и безопасных условий работы. Производится расчет дымовой трубы.

Пояснительная записка содержит библиографический  список с названиями литературных источников, используемых в процессе работы над проектом.

Страницы с  содержащимися на них  таблицами  также нумеруются. В конце пояснительной записки подшиваются листы спецификаций к графической части проекта.

 

 

Введение.

Транспорт газа развивается в России очень высокими темпами. Ежегодно возрастает суммарная  протяжённость магистральных газопроводов. Сооружаются новые компрессорные станции. Рост темпов добычи природного газа и перемещение сырьевой базы в районы Крайнего Севера приводят к увеличению протяжённости газовых магистралей.

При большой  протяженности линейной части (трассы) газопровода необходимо периодическое повышение давления транспортируемого газа и оно обеспечивается Газокомпрессорными станциями (далее ГКС), расположенными на трассе газопровода. Такие ГКС носят название линейных.

Ужгородская газокомпрессорная  станция    является структурным  подразделением Комсомольского  линейного  производственного  управления  магистральных  газопроводов, располагается на расстоянии 11 км от г. Югорска

На ГКС Ужгородская установлены газотурбинные агрегаты ГТК-10-4 мощностью 10 МВт и кпд равным 29%. Количество теплоты выбрасываемое в атмосферу составляет около 26МВт. Поэтому в мерах энергосбережения, целесообразно использовать теплоту уходящую из газовой турбины. Для использования теплоты все агрегаты оборудуются утилизационными теплообменниками.

В данном случае единственным потребителем тепла, является компрессорная станция, т.к. ближайший населённый пункт находится в 11 км. от компрессорной станции и транспортировать тепло экономически невыгодно.

 

    1. Описание газокомпрессорной станции

Производственная  структура управления

ГКС Ужгородская обеспечивает транспорт газа с помощью энергетического оборудования, установленного на КС. Она служит управляющим элементом в комплексе сооружений, входящих в магистральный газопровод. Именно параметрами работы КС определяется режим работы газопровода.

 На газокомпрессорной  станции, имеются четыре турбокомпрессорных цеха в которых установлены газотурбинные установки ГТК-10-4. В цехе установлены восемь ГТУ два из которых находятся в резерве, для обеспечения надёжности работы станции. ГКС Ужгородская обслуживает транспорт газа по четырём магистральным газопроводам:  «Ямбург – Елец1», «Уренгой – Центр1», «Уренгой–Центр2» и «Уренгой –Ужгород»

 

Подразделения основной производственной деятельности

- Газокомпрессорная  служба (ГКС);

- Линейно-эксплуатационная служба (ЛЭС);

- Служба энерговодоснабжения  (ЭВС);

- Служба по  обслуживанию ГРС;

- Служба по  обслуживанию средств связи;

- Служба безопасности (СБ);

- Группа   по   техническому   обслуживанию   и   текущему   ремонту производственных зданий и сооружений;

Все перечисленные выше службы расположены на территории промплощадки ГКС-«Ужгородская»

 

 

    1. Расчёт тепловых нагрузок на отопление

Максимальный  расход теплоты на отопление зданий:

V – объем зданий по наружному обмеру, м³;

q0 – отопительная характеристика зданий, Вт/м³∙К;

βt – поправочный коэффициент:

tВ – внутренняя расчетная температура воздуха в здании, °C;

t¢Н – расчетная температура наружного воздуха, °C; для Югорска t¢Н= -43 °C;

μ – коэффициент  инфильтрации для расчета теплопотерь зданиями:

 

 

b=30÷40∙10-3 для отдельно стоящего здания;

b=8÷10∙10-3 для здания, сложенного в 2,5 кирпича и двойном застеклении окон;

g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения;

Н – высота здания (10÷15), м;

ωВ – скорость ветра, м/с;


qBT – относительные внутренние тепловыделения, кВт/кВт;

q0 – отопительная характеристика здания Вт/м3К.

 

 

В таблице 2.1 представлены тепловые нагрузки зданий находящихся на газокомпрессорной станции.

 

№ пп

Наименование  здания

кол. этаж.

Объём здания, м3

Площадь произв.помещений,м2

Температура внутри,°С

Тепло

потребл., Гкал/ч

1

КОС

1

2476

393

15

0,151

2

КНС-1

1

70

21

15

0,004

3

КНС-2

1

70

21

15

0,004

4

ЗРУ

1

2400

600

15

0,180

5

ХВО

1

556

143

15

0,021

6

АББ

1

2542

980

18

0,121

7

ТГ "Растон"

1

2641

228

15

0,132

8

Узел связи

1

1011

245

18

0,075

9

Материальный  склад

1

7734

758

18

0,021

10

Резервная котельная

1

261

72

15

0,356

11

Администрация ЛПУ

3

7254

571

18

0,333

12

Слесарн.мастерская №1

1

450

114

18

0,019

13

Слесарн.мастерская №2

1

450

114

18

0,019

14

Токарная мастерская

1

108

18

18

0,005

14

БЭС №2

1

108

18

15

0,003

15

БЭС №3

1

108

18

15

0,003

16

Пожарная ёмкость  №1

1

250

  

10

0,005

17

Пожарная ёмкость  №2

1

250

  

10

0,005

18

Насосная №1

1

216

54

10

0,011

19

Насосная №2

1

216

54

10

0,011

20

Насосная №3

1

216

54

10

0,011

21

БРГ №1

1

144

35

18

0,007

22

БРГ №2

1

144

35

18

0,007

23

БРГ №3

1

144

35

18

0,007

24

БРГ №4

1

144

35

18

0,007

25

Операторная ТКЦ№1

1

2824

608

18

0,213

26

Операторная ТКЦ№2

1

2824

608

18

0,213

27

Операторная ТКЦ№3

1

2824

608

18

0,213

28

Операторная ТКЦ№4

1

2824

608

18

0,213

29

Маслоблок

1

504

50

15

0,156

30

Теплица

1

5567

214

20

0,170

31

ТКЦ№1

1

41160

4200

10

0,610

32

ТКЦ№2

1

41160

4200

10

0,610

33

ТКЦ№3

1

41160

4200

10

0,610

34

ТКЦ№4

1

41160

4200

10

0,610

Суммарное теплопотребление ГКС "Ужгородская"

5,14


 

Максимальное  теплопотребление при самой низкой наружной температуре (-43°С) воздуха составляет 5,14 Гкал/ч

 

    1. Тепловой поверочный расчёт утилизационного теплообменника

 Утилизационный  теплообменный аппарат предназначен для повышения экономичности теплоэнергетических установок за счет утилизации тепла газов уходящих из газовой турбины ГТК-10-4 и служит для подогрева технической воды.

Утилизационный  теплообменник состоит из секций, количество которых варьируется в зависимости от параметров рабочих сред и требуемой теплопроизводительности.

 Трубки - стальные, оребренные. Регулирование тепловой нагрузки станции производится изменением количества подключенных утилизаторов.

Предполагаем  установку утилизаторов в существующих газоходах с размерами 1,78 х 5,45 м за турбинами (по четыре трубных пучка в каждом утилизаторе). Чтобы оценить сопротивление и тепловую мощность данного утилизатора, найдем коэффициенты сопротивления трубных пучков и байпаса, основываясь на данных [1] о том, что максимальное аэродинамическое сопротивление утилизатора (когда газ идет только через трубные пучки) равно 467 Па, а аэродинамическое сопротивление байпасного канала (когда весь газ идёт через байпас) - 350 Па.

Для того, чтобы  найти скорость газа проходящего через пучки делаем аэродинамический расчёт утилизационного теплообменника.

 

 

 

Исходные  данные:

Параметр

Обозначение

Величина

Ед. измерения

Температура прямой сетевой воды

t'в

115

°С

Температура обратной сетевой воды

t'в

70

°С

Объёмный расход дымовых газов уходящих из газовой турбины

Vух

86,2

м3/с

Максимальное аэродинамическое сопротивление утилизационного теплообменника

∆Pуmax

467

Па

Аэродинамическое сопротивление байпасного канала

∆Pуб

350

Па

Температура дымовых газов перед утилизатором

t'г

294

°С


 

 

 

3.1. Аэродинамический расчёт.

Определяем  потери на трение.

где - коэффициент местного сопротивления

hд- скоростной напор (динамическое давление), Па.

Величина скоростного  напора или динамического давления

где р - плотность газа, кг/м3;

w - скорость газов, м/с.

Найдем коэффициент  сопротивления трубных пучков. Скорость газов внабегающем потоке

 м/с,

где Vух - объемный расход газов через пучки одного утилизатора, м3/с; Fп - площадь сечения газохода, занятая пучками, м2. По данным [1] высота пучка (модуля) 1,00 м, ширина- 1,78 м. Тогда

Объёмный расход продуктов сгорания после одной  турбины

 м3/с

где – плотность уходящих газов (воздуха) при температуре 294°С

 кг/м3

Объемный расход газов через один утилизатор равен  половине расхода газов турбины – 69,2 м3/с, значит, скорость газов на свободное сечение пучков будет равна:

 м/с

Тогда скоростной напор будет равен:

 Па

Таким образом, коэффициент сопротивления трубных  пучков утилизатора

Найдём коэффициент  сопротивления байпасного канала.

скорость газов  в байпасном  канале

 м/с

где FБ – площадь сечения, м2. По данным [1]

FБ=1,45·1,78=2,581 м2

скоростной  напор байпасирующих газов

 Па

коэффициент сопротивления  байпасного канала

Теперь находим  скорость газов при условии, что газ будет идти через пучок и байпас

Площадь сечения, занятая пучками труб

Fп=1,78·4=7,12 м2

Сечение байпасного канала тоже отличается от паспортной величины

Fб=1,45·1,78=2,581 м2.

 Очевидно, что  расход газа перераспределиться  между пучками труб и байпасом так, что сопротивления их будут равными, т. е.

Выразим все  неизвестные через скорость в  пучке труб.

  1. Объёмный расход газов через пучки труб

Vп= wп·Fп = 7,12 wп , М3

  1. Объёмный расход газов через байпас

VБ=Vух-Vп=69,2-7,12 wп  , М3

  1. Скорость газов в байпасном канале

, м/с

  1. Скоростной напор газов, омывающих пучки труб

, Па

  1. Скоростной напор байпасирующихся газов

, Па

  1. Аэродинамическое сопротивление пучков

, Па

  1. Аэродинамическое сопротивление байпаса

, Па

Приравниваем  аэродинамическое сопротивление байпаса  и пучков 

Решаем квадратное уравнение

, м/с

, м/с

Получаем два  значения скорости, одно значение положительное , другое значение отрицательное, т.к. значение скорость не может быть отрицательной выбираем скорость равной

wП=4,5, м/с

Находим аэродинамическое сопротивление утилизатора

 Па

Находим объёмный расход газа который проходит через  пучки утилизатора

Vп= wп·Fп = 7,12· wп  =4,5·7,12= 32 М3/с

Массовый расход газов проходящий через пучки  утилизатора

Gг = Vп·ρг = 32·0,623=20 кг/с

3.2. Тепловой поверочный расчёт

  1. Составляем  уравнение теплового баланса

Gг·Срг·(t'г - t"г) = Gв·Срв·(t"в - t'в)

где, Gг, кг/с – расход газа проходящий через пучки утилизатора

Gв, кг/с – расход воды на 1 утилизатор

t'г ,°С – температура газов перед утилизатором

t"г,°С –  температура газов за пучками  утилизатора

t"в, t'в,°С  – температура воды на выходе  и на входе в утилизатор

Срг = 1,05 КДж/(кг·К), - теплоёмкость газов при температуре 294°С [3]

Срв = 4,208 КДж/(кг·К), - теплоёмкость воды при средней температуре воды равной [6],

tвср=(t"в+t'в)/2=(115+70)/2=92,5°С

Задаёмся температурой уходящих газов после пучков  t"г=208°С

  1. Находим количество теплоты отданное газами пучкам труб

Q=Gг·Срг·(t'г - t"г)=20·1,05·(294-188)=2200кВт=2,2МВт

  1. Найдём расход воды через один утилизатор

Gв = Q/Срв·(t"в-t'в) = 2200/(4,208·(115-70))=12кг/с

  1. Найдём среднетемпературный напор при перекрёстном движении теплоносителей.


 

 

 

 

 

 

 


 

сначала находим  температурный напор при противотоке

∆tб = (t'г-t"в)= 294-115=179 °С

∆tм= (t"г-t'в)= 188-70=118 °С

∆tб / ∆tм=1,3 < 1,7 , значит, можно пользоваться среднеарифметическим значением температурного напора.

∆t' = (∆tб + ∆tм)/2=148,5 °С

В связи с  тем, что движение теплоносителей перекрёстное вводим поправочный коэффициент ε∆t, значение которого определяется схемой движения и параметрами P и R

P=(t''в-t'в)/(t'г-t'в)= (115-70)/(294-70)=0,2

R=(t'г-t''г)/(t''в-t'в)= (294-208)/(115-70)=2,35

по номограмме [2] находим значение ε∆t,=1

∆t=∆t'· ε∆t,= 148,5·1=148,5 °С

  1. Находим скорость воды в трубках утилизационного теплообменника


 

где ρв= 970 кг/м3 – плотность воды при средней температуре воды tвср =92,5°С,

dвн = 0,018 м – внутренний диаметр трубки в пучке [паспортные данные]

n=51 шт – количество трубок на входе воды в утилизатор, [1]

  1. Находим коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде

Находим безразмерное число  Нуссельта [4]

где:

Prж=1,91 число Прандтля  при средней температере воды tвср =92,5°С, [6]

Prг=0,72 число Прандтля при средней температере газа, [3]

tгср=(294+188)/2=241°С

, м2/с- кинематическая вязкость  при средней температуре воды, [6] tвср =92,5°С

λв =0,68 Вт/(мК)  коэффициент теплопроводности жидкости при средней температере воды tвср =92,5°С


  1. Находим коэффициент теплоотдачи от газов к пучкам из ребристых труб

Из [4] выбираем критериальное уравнение числа Нуссельта

где, Сz=1- поправочный коэффициент по числу ходов (z=6)

Cγ=1- поправочный коэффициент по углу подъёма спирального  ребра

d0 = 0,022 м – диаметр трубы у основания трубы

s=0,0032 м – шаг между рёбрами

S1=0,041 м – поперечный шаг труб, [1]

S2=0,041 м – продольный шаг труб, [1]

S’2=0,045 м – диагональный шаг труб, [1]

m=0,53-0,019·φ=0,53-0,019·9,13=0,35

h = 0,009 м – высота ребра

δ= 0,0008 м – толщина ребра

φ – коэффициент  оребрения

где, , м2/с - кинематическая вязкость газа при средней температуре газа tгср =241°С

λг =0,0429 Вт/(мК)  коэффициент теплопроводности газа при средней температере газа tгср =241°С

  1. Находим коэффициент теплопередачи [5]

, Вт/(м2К)

где, λст =57 Вт/(мК)  коэффициент теплопроводности  стенки сделанной из стали

d0 = 0,022 м – диаметр трубы у основания трубы

d1= 0,018 м – внутренний диаметр трубы

φ – коэффициент  оребрения

δ= 0,002 м – толщина стенки трубы

 Вт/(м2К)

Теплопроизводительность одного утилизатора 

=>

Находим площадь теплообмена утилизатора

, м2

Суммарная площадь  нагрева утилизационного теплообменника составляет 472м2, которая обеспечивает получение на выходе из теплообменника температуру воды равной 115°С. Выполняем условие относительной невязки поверхности теплообмена:

Невязка составляет 1%, что удовлетворяет требованиям  для нагрева воды до необходимой  температуры, следовательно расчёт можно считать законченным.

 

    1. Зависимость количества включённых утилизационных теплообменников от температуры наружного воздуха

 

Поскольку нет  возможности регулировать теплопроизводительность утилизатора поворотными заслонками, то можно только менять нагрузку сливанием (наполнением) воды в одном или нескольких теплоутилизаторах. Таким образом, нагрузка будет изменяться дискретно с шагом 1,8 Гкал/ч. ( см. тепловой расчёт утилизационного теплообменника).

Длительность  отопительного периода в г. Югорске составляет 5698 ч.

В таблице № 6 приведен расчет полезной тепловой мощности, вырабатываемой теплоутилизаторами. Используемые обозначения:

tсрн – средняя температура наружного воздуха, °С;

qо - необходимая тепловая мощность на отопление, Гкал/ч;

nу - необходимое количество включенных по воде утилизаторов, шт.;

nт - количество одновременно работающих турбин с утилизаторами, шт.;

qут - тепловая мощность, вырабатываемая утилизаторами, Гкал/ч;

n -время стояния данной температуры наружного воздуха, ч;

Qн - необходимая тепловая мощность, за определенный период времени, Гкал.

Q - тепловая мощность, вырабатываемая утилизаторами за определенный период времени, Гкал. 
Выработка тепловой энергии утилизаторами при бесперебойной работе турбин

Таблица №4.1

tсрн, °C

q0, Гкал/ч

nу, шт

nт, шт

qут, Гкал/ч

n, ч

Q, Гкал

Qн, Гкал

+8

1,05

1

1

1,8

284

511

298

+5

1,24

1

1

1,8

321

577,8

398

2,5

1,48

1

1

1,8

321

577,8

475

-0,25

1,74

1

1

1,8

321

577,8

588

-2,75

1,98

1

1

1,8

401

721,8

793

-5

2,19

2

1

3,6

525

1890

1155

-7,5

2,43

2

1

3,6

478

1720

1161

-10

2,67

2

1

3,6

521

1875

1406

-12,5

2,9

2

1

3,6

481

1731

1395

-15

3,14

2

1

3,6

468

1684

1470

-17,5

3,38

2

1

3,6

411

1479

1397

-20

3,62

2

1

5,4

482

2602

1744

ниже -20

5,14

3

2

5,4

684

3693

3515

Итого за отопительный сезон

5698

19058

15770


Из таблицы 4.1 видно, что теплопроизводительно

На рис.4.1. Изображен график продолжительности сезонной тепловой нагрузки. Площадь под кривой графика соответствует потреблению тепловой энергии на отопление за отопительный период - около 15770 Гкал/год.

 

Рис. 1. График продолжительности сезонной тепловой нагрузки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На Рис. 2. показана зависимость нагрузки на отопление от наружной температуры воздуха

Рис.2

 

Резервная котельная

Для надёжного  снабжения тепловой энергией газокомпрессорной станции, в случае остановки работы  всех турбокомпрессорных цехов, а именно газотурбинных установок, предусмотрена резервная котельная.

В резервной  котельной установлены два котла  ВВД-1,8.

Котлы своевременно проходят режимно-наладочные испытания и ниже представлены режимные карты двух котлов табл.4.2, составленные по результатам последних испытаний проведенных в декабре 2001 года лабораторией наладки  инженерного центра.

Техническая характеристика водогрейного водотрубного котла ВВД-1,8

Таблица №4.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Режимная  карта котла типа ВВД-1,8 №1 установленного в котельной промплощадки ГКС «Ужгородская»

 

 

 

 

 

 

Режимная  карта котла типа ВВД-1,8 №2 установленного в котельной промплощадки ГКС «Ужгородская»

 

 

 

 

    1. Подготовка хозяйственно-питьевой и подпиточной воды.

На газокомпрессорной  станции забор воды на хозяйственно-питьевые нужды происходит с артезианских скважин общей мощность подачи воды 30м3/ч, с последующей подачей воды на станцию обезжелезивания (ВОС-400).

Станция обезжелезивания  воды с максимальной производительностью 400м3\сутки, предназначена для обезжелезивания подземной воды хозяйственно-питьевого назначения при условии, что вода в источнике по всем показателям, кроме содержания железа удовлетворяет ГОСТ 2761-84 «Выбор источника централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения».

Фактически  количество очищаемой воды от 30 до

150 м3/сутки. Воду очищают безреагентным способом на напорных фильтрах с предварительной упрощенной аэрацией воды. Метод предназначен для очистки воды от неорганических соединений железа при содержании железа до 20мг/дм. Регенерация фильтров происходит при содержании железа в воде более 0,3мг/л. Регенерация осуществляется в три этапа:

    • продувка воздухом, продолжительностью 1-2 минуты
    • продувка водой совместно с воздухом, продолжительностью 4-5 минут
    • продувка водой, продолжительностью 4-5 минут

После очистки вода направляется в резервуар чистой воды объемом 250м3, где она отстаивается. Забор воды осуществляется из резервуаров чистой воды на уровне 2-3 метров от основания резервуара и подаётся в пожарный коллектор.

Подпитка системы  отопления осуществляется через  пожарное кольцо в утилизационную насосную.

В таблице №7 представлены фактические показатели качества исходной и очищенной артезианской воды.

Таблица №7

Ингредиенты,

ед.измер.

Вода из арт.скважин, мг /л

Вход на

ВОС,      мг /л

Выход мг /л

Потребитель, мг/л

Нормы

СанПиН

2.1.4.559-96

№1

№2

pH

7,0

7,07

6,98

6,66

7,01

7,5

Цветность

27

45

40

5

10

20

Мутность

0,58

0,52

0,58

0,58

0,58

1,5

Жесткость

0,69

0,74

0,39

0,33

0,3

7,0

Железо

7,5

7,04

6,94

0,9

0,29

0,3

Марганец

0,28

0,24

0,23

0,2

0,1

0,1

АПАВ

0,025

0,025

      

0,5


 

Из таблицы  видно, что вода идущая потребителям на хозяйственно-питьевые нужды соответствует требованиям СанПиН.

Утилизация уходящих газов 📙 Дипломная → 🆔 21722

Утилизация уходящих газов 📙 Дипломная → 🆔 21722

Утилизация уходящих газов