При дросселировании природного газа в регуляторе газ расширяется и охлаждается. Если перепад давления велик, это охлаждение может привести к гидратообразованию при наличии влаги, обмерзанию регуляторов и пилотных линий и снижению температуры газа ниже допустимой для оборудования. Блок подогрева, редуцирования и учёта решает проблему в её источнике: нагревает газ до входа в регулятор, снижает давление и затем измеряет количество газа с корректным учётом температуры.
На этой странице рассматривается, откуда возникает потребность в подогреве, какие бывают подогреватели и как три функции располагаются на одном блоке. Подбор регуляторов и защитной арматуры описан на странице о блоках редуцирования, общая компоновка станции на границе сетей — на странице о газораспределительных станциях.
Почему газ охлаждается при снижении давления
Когда реальный газ расширяется через дросселирующее устройство без теплообмена с окружающей средой, его температура меняется; для природного газа в обычных рабочих условиях она понижается. Это явление называют эффектом Джоуля-Томсона. Величина охлаждения зависит от перепада давления, температуры на входе и состава газа; методика расчёта коэффициента Джоуля-Томсона для целей измерения расхода приведена в ISO 20765-5. На практике это означает, что станция, понижающая давление с магистрального до распределительного уровня, без подогрева выдаёт газ заметно холоднее, чем на входе. Тепловую нагрузку необходимо рассчитывать для каждого проекта по входным условиям и целевой температуре на выходе.
К чему приводит охлаждение
· Гидратообразование: При наличии влаги низкая температура в сочетании с высоким давлением способствует образованию твёрдых льдоподобных гидратов. Гидраты сужают проходное сечение, забивают оборудование, повреждают арматуру и могут прервать подачу газа.
· Обмерзание регулятора и пилота: Наиболее уязвимы к замерзанию пилотные контуры и импульсные линии малого сечения; обмерзание нарушает устойчивую работу регулятора.
· Ограничения материалов и оборудования: Регуляторы и предохранительные запорные устройства рассчитаны на определённый диапазон температур; например, соответствующие европейские стандарты охватывают диапазон от −20 °C до +60 °C. Выход неподогретого газа за эти пределы может сделать выбор оборудования некорректным.
· Конденсация и иней снаружи: На холодных поверхностях трубопроводов конденсируется и замерзает влага, что вызывает коррозию, проблемы в местах подключения приборов и затрудняет обслуживание.
Типы подогревателей
Тип подогревателя выбирают по тепловой нагрузке, наличию на площадке топливного газа или электроэнергии, условиям взрывоопасной зоны и принятому подходу к обслуживанию.
Тип подогревателя | Принцип работы | На что обратить внимание |
Косвенный подогреватель с водяной баней | Горелка работает в жаровой трубе внутри корпуса и нагревает баню, обычно из смеси воды и гликоля; газ проходит через погружённый в баню змеевик высокого давления | Пламя не контактирует с газом; в качестве топлива можно использовать часть газа самой станции. Нужно следить за теплоносителем, горелкой и выбросами |
Электрический подогреватель | Нагревательные элементы нагревают газ напрямую или через промежуточный теплоноситель | Нужны достаточная электрическая мощность и исполнение для взрывоопасной зоны; рассматривается при малых и средних нагрузках или там, где огневое оборудование нежелательно |
Котёл и теплообменник | Вода, нагретая в отдельном котле, подаётся в теплообменник на газовой линии | Котёл можно вынести за пределы взрывоопасной зоны; в систему добавляются резервный котёл и циркуляционные насосы |
Последовательность функций на одном блоке
Типичная последовательность такова: входное отключающее устройство, фильтрация, подогрев, ПЗК и редуцирование, учёт, выходное отключающее устройство. Подогреватель обязательно располагают до регулятора: задача в том, чтобы подвести тепло до начала охлаждения и получить заданную температуру на выходе регулятора. Фильтр, установленный перед подогревателем, защищает змеевик и регулятор от частиц и жидкости.
Место узла учёта выбирают исходя из условий проекта. Учёт после редуцирования даёт стабильную, регулируемую температуру при более низком давлении, однако нужно учитывать искажения потока от регулятора и, особенно для ультразвуковых расходомеров, его шум. Учёт на стороне высокого давления может позволить применить расходомер меньшего диаметра, но тогда колебания температуры зависят от того, стоит ли расходомер до или после подогревателя. В обоих случаях с самого начала определяют резервирование линий подогрева и редуцирования и порядок вывода подогревателя в обслуживание.
Регулирование температуры
Регулирование подогрева обычно ведётся по температуре газа на выходе регулятора: её задают так, чтобы исключить риск гидратов и обмерзания и остаться в пределах возможностей оборудования. В подогревателях с водяной баней для этого меняют температуру бани и мощность горелки. Перегрев увеличивает расход топлива и создаёт ненужную тепловую нагрузку на узел учёта и оборудование ниже по потоку. Поскольку входное давление, расход и температура газа меняются в течение года, стратегия регулирования должна охватывать меняющиеся условия, а не только худший случай.
Влияние температуры на учёт
Подогрев меняет объём газа в точке измерения. Поскольку расходомер измеряет при рабочих условиях, температура, используемая для приведения к стандартным условиям, должна отражать фактическую температуру газа у расходомера. Поэтому датчик температуры размещают рядом с расходомером в месте хорошего перемешивания потока, а при установке вблизи выхода подогревателя проверяют, нет ли разницы температур по сечению трубы. Любая ошибка измерения температуры напрямую переходит в приведённый объём.
Исходные параметры и их влияние
Параметр | Почему важен при проектировании | Влияние на выбор |
Диапазон давлений на входе и выходе | Перепад давления определяет величину охлаждения | Тепловая нагрузка, мощность подогревателя, число ступеней редуцирования |
Температура газа на входе (по сезонам) | Минимальная входная температура даёт максимальную потребность в тепле | Размер подогревателя и диапазон регулирования |
Диапазон расходов | Тепловая нагрузка растёт пропорционально расходу | Число подогревателей и регуляторов, потребность в параллельных линиях |
Состав газа и влагосодержание | Влияют на степень охлаждения и склонность к гидратообразованию | Целевая температура на выходе, при необходимости анализ качества газа |
Целевая температура на выходе | Должна исключать гидраты и обмерзание, не превышая пределов оборудования | Уставка регулирования, выбор материалов |
Источник энергии | Доступ к топливному газу, электроэнергии или внешнему теплу различается | Тип подогревателя и компоновка |
Классификация взрывоопасных зон | Горелки, электроподогреватели и шкафы требуют разных видов защиты | Размещение оборудования и безопасные расстояния |
Допустимость перерыва подачи | При отказе подогревателя подача может потребоваться без остановки | Резервирование подогревателей и стратегия байпаса |
Чем может помочь TLY Enerji
В проектах блоков, объединяющих подогрев, редуцирование и учёт, TLY Enerji может оказать поддержку в анализе технологических данных, подборе и поставке средств измерения температуры, давления и расхода, системной интеграции, монтаже на объекте, испытаниях и пусконаладке. В объём работ может входить и передача данных управления подогревателем и учёта в систему на базе ПЛК или SCADA. Границы поставки самого подогревателя уточняются отдельно в каждом проекте.
Данные для оценки тепловой нагрузки
· Минимальные и максимальные давление и температура на входе в течение года
· Требуемое выходное давление и минимальная целевая температура на выходе
· Минимальный, номинальный и максимальный расход и его сезонные изменения
· Состав газа, влагосодержание или точка росы по воде
· Доступные на площадке источники энергии: газ, электроэнергия, сбросное тепло
· Назначение учёта и предпочтительное положение расходомера относительно регулятора
· Требуемое резервирование линий подогрева и редуцирования
· Классификация взрывоопасных зон и ограничения по размещению
Связанные решения
· Блочные пункты редуцирования газа: Подбор и компоновка регуляторов, мониторов и ПЗК.
· Пункты редуцирования и учёта газа (RMS / PRMS): Совмещённые пункты у потребителя, где подогрев не нужен или ограничен.
· Газораспределительные станции (City Gate): Место подогрева в общей архитектуре станции на границе магистральной и распределительной сетей.
· Блоки подготовки и учёта топливного газа: Подогрев для выполнения требований к топливу газовой турбины или двигателя.
Вопросы о блоках с подогревом
Нужен ли подогреватель на каждом пункте редуцирования?
Нет. Если перепад давления невелик, температура на входе достаточно высока и газ сухой, температура на выходе регулятора может оставаться в допустимых пределах. Потребность в подогреве определяют расчётом выходной температуры по входным давлению и температуре, выходному давлению, расходу и составу газа с последующим сравнением с границами гидратообразования, обмерзания и возможностями оборудования. Расчёт должен учитывать худший сезонный режим.
Почему подогреватель ставят до регулятора?
Охлаждение происходит при дросселировании в регуляторе. Если нагревать газ уже после него, это не предотвратит гидраты и обмерзание в самом регуляторе и его пилотных контурах. Поэтому газ подогревают заранее, настолько, чтобы на выходе регулятора получить целевую температуру. При многоступенчатом редуцировании необходимость дополнительного подогрева между ступенями оценивается отдельно.
Чем подогреватель с водяной баней отличается от электрического?
Подогреватель с водяной баней обычно сжигает часть газа самой станции, и пламя не контактирует с газом; такие аппараты распространены при больших тепловых нагрузках. Электрический подогреватель не требует горелки и дымовой трубы, но нуждается в достаточной электрической мощности и исполнении для взрывоопасной зоны. Выбор делают, сопоставляя тепловую нагрузку, доступность энергии, требования по выбросам и подход к обслуживанию.
Влияет ли подогрев на точность учёта?
Сам подогрев не является источником погрешности; важно, чтобы температура, используемая при приведении объёма, отражала фактическую температуру газа у расходомера. Датчик температуры должен стоять рядом с расходомером в месте хорошего перемешивания. Точка измерения слишком близко к выходу подогревателя может дать непредставительное значение из-за разницы температур по сечению трубы.