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1預(yù)冷換熱器換熱效率分析
1.1管殼式換熱器的傳熱原理熱傳遞基本公式:Q=KAΔT(1)根據(jù)傳熱可知,提高傳熱效率的途徑有三條:提高傳熱系數(shù)K,增大換熱面積A;加大對(duì)數(shù)平均溫差ΔT適當(dāng)?shù)脑龃髶Q熱面積和增大對(duì)數(shù)平均溫度差可以提高換熱效率,提高熱傳遞系數(shù)K:K-總熱傳遞系數(shù),ao-管外流體給熱系數(shù),at-管內(nèi)流體給熱系數(shù),rdo-管外污垢熱阻,rdt-管內(nèi)污垢熱阻,rw-管壁熱阻,Ao/At-管外表面積和管內(nèi)表面積比,η-翅化比(螺紋管外表面積/光管外表面積)。而換熱管的材料、規(guī)格一旦選定,則管外徑與內(nèi)徑之比、壁厚及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)也隨之確定下來。提高管內(nèi)、外換熱系數(shù)ao和at、降低污垢系數(shù)rt和ro,能夠有效提高換熱器的總傳熱系數(shù)K。
1.2預(yù)冷換熱器溫度變化曲線分析根據(jù)GB151-1999附錄F中描述,傳熱系數(shù)K固定不變時(shí),在純逆流換熱器中,流體溫度變化情況。按照脫油脫水裝置換熱器的換熱過程,符號(hào)純逆流換熱,T0為原料氣管層進(jìn)口溫度,T1為原料氣管層出口溫度,t1為產(chǎn)品氣殼層進(jìn)口溫度,t0為產(chǎn)品氣殼層出口溫度。ΔT1=T1-t1為丙烷蒸發(fā)器制冷后溫度差,ΔT0=T0-t0為出預(yù)冷換熱器管殼層溫度差。換熱面積=長度×單位長度換熱面積,圖2橫坐標(biāo)為換熱器長度L,圖2可以描述為在不同的換熱面積后,溫度差的變換過程,脫油脫水裝置中,原料氣進(jìn)氣溫度T0,經(jīng)預(yù)冷換熱器后交換熱量Q1使得溫度降至T1,經(jīng)丙烷蒸發(fā)器制冷交換熱量Q2使得溫度降至t1,原料氣總消耗熱量Q原=Q1+Q2,Q1為圖3陰影部分面積,Q2為丙烷蒸發(fā)器制冷的熱量。經(jīng)丙烷蒸發(fā)器后的產(chǎn)品氣經(jīng)預(yù)冷換熱器吸收的熱量Q3使得溫度升至t0,產(chǎn)品氣吸收的熱量Q3為圖4陰影部分面積。進(jìn)出裝置消耗的總能量Q=Q1+Q2-Q3.假設(shè)ΔT1=ΔT0,即T1-t1=T0-t0;換熱器在換熱過程中,無能量損耗,能量只在進(jìn)行原料氣和產(chǎn)品氣間進(jìn)行熱傳遞。由于曲線變化速率一致,Q1=Q3,進(jìn)出裝置的總消耗能量為Q=Q2,為丙烷制冷消耗的能量。正常使用換熱器過程中,ΔT1≠ΔT0,設(shè)備存在散熱是必然的現(xiàn)象,做好設(shè)備與空氣間的隔熱非常重要,能夠減少能量的損耗。
2脫油脫水裝置節(jié)能分析
2.1用電量節(jié)約由預(yù)冷換熱器變化曲線,可以得出丙烷蒸發(fā)器制冷是關(guān)鍵,溫度差過大,必然導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷增大,考慮降低溫度差可以降低丙烷蒸發(fā)器的制冷能耗。由熱傳遞基本公式Q=KAΔT,降低溫度差,熱傳遞效率下降,適當(dāng)增大換熱面積能夠有效提高傳遞效率。蘇里格第五天然氣處理廠12月裝置處理氣量13338×104m3天然氣,裝置耗電量22.95×104kW•h,裝置進(jìn)出口溫度差5℃,換算日均處理500萬m3天然氣需要消耗約8600kW•h電量。假設(shè)增大2倍換熱面積,不考慮設(shè)備與大氣間的熱傳遞,保證熱傳遞效率與原先的一樣,溫度差可減半,裝置進(jìn)出口溫度差2.5℃,可以直接降低丙烷蒸發(fā)器的制冷量,減少了丙烷蒸發(fā)器的運(yùn)行負(fù)荷,可以選擇負(fù)荷更低的設(shè)備,有效的減少耗電量。
2.2采用節(jié)流閥降低溫度低溫分離器上游增設(shè)節(jié)流閥,取消丙烷蒸發(fā)器流程。節(jié)流閥能夠直接對(duì)天然氣進(jìn)行降溫。選擇合適的節(jié)流閥和預(yù)冷換熱器達(dá)到低溫分離器溫度,夏季溫度降低至-5℃(冬季溫度降低至-15℃),減少了丙烷制冷系統(tǒng)帶來的能量消耗,日均節(jié)省8600kW•h電量。當(dāng)壓力降為0.5MPa時(shí),溫度差為1.935℃(0.5×3.87);當(dāng)壓力降為1MPa時(shí),溫度差3.87℃。缺點(diǎn)是增大了裝置運(yùn)行的壓降,氣量不易控制。
3結(jié)論和建議
(1)通過預(yù)冷換熱器溫度差變化曲線分析裝置能量的變化情況,裝置總的消耗能量為丙烷制冷。有效的做好設(shè)備與空氣間的隔熱,減少能量的損耗。(2)通過用電量的統(tǒng)計(jì),分析適當(dāng)增加換熱面積,減少溫度差的途徑,選擇更低負(fù)荷的設(shè)備,有效的減少耗電量。(3)增加節(jié)流閥的途徑,直接進(jìn)行降溫處理,取代丙烷制冷消耗的能量,有效的進(jìn)行節(jié)能降耗。
作者:陳宗宇侯山郭萍劉宇坤 梁坤單位:中國石油長慶油田分公司第三采氣廠