1. Область применения: КС, ГПЗ, НПЗ, промышленные газы
Кожухотрубный теплообменник газ-жидкость — аппарат, в котором газ (как правило, в трубном пространстве) охлаждается жидкостью (водой, рассолом, маслом), движущейся в межтрубном пространстве. Реже — обратная схема: газ в межтрубном, жидкость в трубном.
Кожухотрубный аппарат типа «газ в трубках — вода в межтрубном». Газ движется по трубкам при высоком давлении (1–16 МПа), охлаждающая вода — в межтрубном пространстве при давлении 0,2–0,6 МПа. Конструкция обеспечивает безопасное разделение высокого и низкого давления.
Компрессорные станции магистральных газопроводов
На каждой КС МГ установлены десятки охладителей газа. После каждого компрессора природный газ нагревается до 80–120°C. Перед подачей в следующую ступень его необходимо охладить до 15–25°C — чтобы снизить объём, повысить КПД следующего компрессора и предотвратить деградацию смазки.
Типовая КС обрабатывает 30–100 млн м³/сут природного газа при давлении 5–10 МПа. Охлаждающая вода подаётся от градирни или речного источника.
Газоперерабатывающие заводы (ГПЗ)
На ГПЗ кожухотрубные охладители газа применяются на этапах:
- Входная сепарация: охлаждение пластового газа перед отбивкой жидкости
- Осушка газа: охлаждение перед абсорберами гликоля (ДЭГ/ТЭГ)
- Низкотемпературная сепарация (НТС): охлаждение до −20°C с рекуперацией холода
- Компримирование: межступенчатое охлаждение в многоступенчатых компрессорах
- Подготовка газа к транспорту: концевое охлаждение до температуры точки росы
Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ)
На НПЗ охладители типа газ-вода применяются для охлаждения нефтяного газа (C1–C4 фракции), водяного пара перед конденсацией, дымовых газов в системах рекуперации тепла (ВОУ), водорода в установках гидроочистки.
Промышленные газы и компрессорные установки
Промышленные компрессорные установки (воздух, азот, кислород, CO₂, аргон) — самый массовый рынок охладителей газа. Воздушный компрессор мощностью 200 кВт создаёт около 160 кВт тепловой нагрузки на охладитель.
Компрессорные станции
Природный газ, 5–10 МПа, 80–120°C на входе. Охлаждение до 15–25°C перед следующей ступенью.
Газоперерабатывающие заводы
Пластовый газ, конденсат, сепарация жидкости. Рекуперация холода в схемах НТС.
Нефтепереработка
Нефтяной газ, водяной пар, водород. Рекуперация тепла дымовых газов.
Промышленные компрессорные
Воздух, азот, CO₂. Межступенчатые и концевые охладители 0,5–4 МПа.
2. Конструкция кожухотрубного охладителя газа
Типовой охладитель газа — горизонтальный кожухотрубный аппарат с газом в трубках и охлаждающей водой в межтрубном пространстве. Горизонтальное расположение обеспечивает отвод конденсата через дренажный штуцер в нижней точке трубного пространства.
Основные элементы конструкции
| Элемент | Параметры | Назначение |
|---|---|---|
| Кожух | Ст.20 или 09Г2С, Ду 200–1200 мм | Межтрубное пространство (вода, до 1,6 МПа) |
| Трубки | Ø25×2 мм, сталь 20 / нержавейка, l=2–6 м | Трубное пространство (газ, до 16 МПа) |
| Трубные решётки | Ст.20, 09Г2С или легированная сталь | Разделение газа и воды, крепление трубок |
| Перегородки | Сегментные, шаг 150–400 мм | Создают поперечное обтекание трубок водой |
| Входные камеры | Ст.20/09Г2С, фланцы PN40–PN160 | Распределение газа по ходам |
| Компенсатор / ПГ | Линзовый на кожухе или плавающая головка | Компенсация теплового расширения трубок |
Трубки Ø25×2 мм — стандарт для газа
Трубки диаметром 25×2 мм — наиболее распространённый стандарт для охладителей газа. Внутренний диаметр 21 мм обеспечивает приемлемую скорость газа при разумной площади поперечного сечения. При давлении газа выше 6 МПа толщину стенки увеличивают до 2,5–3 мм (расчёт по ГОСТ Р 52857 или ASME VIII Div.1).
Газ находится под высоким давлением (4–16 МПа). Трубное пространство проще рассчитать на высокое давление: входные камеры и трубки выдерживают давление за счёт конструкции высокого PN. Кожух (межтрубное) работает при низком давлении воды (0,3–0,6 МПа), его стенка тоньше и дешевле.
Многоходовые аппараты
Для увеличения скорости газа применяют многоходовые аппараты по трубному пространству (2, 4 хода). Перегородки в камере делят трубки на параллельные группы. Скорость газа 10–20 м/с создаёт Re = 10 000–50 000, обеспечивая развитый турбулентный режим и максимальный коэффициент теплоотдачи.
3. Теплофизика газов: почему k такой низкий
Главная сложность при охлаждении газов — крайне низкий коэффициент теплоотдачи. Это вынуждает делать охладители газа в 20–50 раз больше по площади, чем аналогичные по мощности водоводяные аппараты.
Типичные значения коэффициентов теплоотдачи
| Среда | α, Вт/м²·К | Условие |
|---|---|---|
| Воздух при атм. давлении | 30–80 | Скорость 10–20 м/с в трубках |
| Воздух при 4 МПа | 80–200 | Высокое давление увеличивает плотность и Re |
| Природный газ при 7 МПа | 120–300 | Метан, компрессорная станция МГ |
| Азот при 5 МПа | 100–250 | Промышленные установки |
| CO₂ при 3 МПа | 80–180 | Выше критической точки — газообразный CO₂ |
| Вода (межтрубное) | 3000–8000 | Поперечное обтекание трубок, v = 0,5–1,5 м/с |
Термическое сопротивление со стороны воды в 15–50 раз меньше, чем со стороны газа. Поэтому суммарный коэффициент теплопередачи k определяется практически исключительно стороной газа.
Влияние давления на теплоотдачу газа
Повышение давления газа значительно улучшает теплоотдачу. При увеличении давления в 10 раз (с 0,1 до 1,0 МПа) плотность газа возрастает в 10 раз, число Re растёт, а коэффициент теплоотдачи увеличивается в 3–5 раз. Именно поэтому охладители газа на КС при 7–10 МПа работают гораздо эффективнее, чем концевые охладители воздушных компрессоров при 0,8–1,0 МПа.
При охлаждении влажного природного газа ниже точки росы выпадает конденсат (вода, углеводороды). Конструкция охладителя должна предусматривать дренажный штуцер и уклон аппарата 1–2°. Накопление конденсата ухудшает теплоотдачу и провоцирует коррозию.
4. Расчёт по LMTD: формула и пример
Тепловой расчёт охладителя газа выполняется по методу средней логарифмической разности температур (LMTD — Log Mean Temperature Difference). Это стандартный метод для аппаратов с постоянными теплоёмкостями сред.
Пример расчёта: охлаждение воздуха 80°C → 40°C
Исходные данные:
- Газ: сжатый воздух при давлении 0,8 МПа
- Температура воздуха: 80°C на входе, 40°C на выходе
- Вода: 15°C на входе, 25°C на выходе (противоток)
- Тепловая нагрузка Q = 500 кВт
Шаг 1. Расчёт LMTD при противотоке:
- Горячий конец: ΔT₁ = 80 − 25 = 55°C (воздух 80°C, вода выходит 25°C)
- Холодный конец: ΔT₂ = 40 − 15 = 25°C (воздух 40°C, вода входит 15°C)
- LMTD = (55 − 25) / ln(55/25) = 30 / ln(2,2) = 30 / 0,788 ≈ 38°C
Шаг 2. Выбор коэффициента теплопередачи:
Воздух при 0,8 МПа: α₁ ≈ 120 Вт/м²·К. Вода в межтрубном: α₂ ≈ 4000 Вт/м²·К. Загрязнения r₁+r₂ ≈ 0,0003. Итог: k ≈ 35 Вт/м²·К.
Это соответствует аппарату диаметром кожуха Ду 600–800 мм, длиной труб 4–6 м, с 200–400 трубками Ø25×2 мм — типовые габариты промышленного охладителя воздуха.
При перекрёстном токе или многоходовых аппаратах вводят поправочный коэффициент F_t ниже 1,0 (обычно 0,75–0,95). LMTD_эфф = LMTD × F_t. Для чистого противотока F_t = 1,0.
Сравнение площадей: газ-вода vs вода-вода
| Параметр | Газ-вода (воздух, 0,8 МПа) | Вода-вода |
|---|---|---|
| k, Вт/м²·К | 25–50 | 800–1500 |
| LMTD, °C | 30–50 | 5–20 |
| F для 500 кВт, м² | 250–700 | 17–125 |
| Диаметр кожуха | 500–1000 мм | 150–400 мм |
5. Типичные задачи: МСО, КСО, рекуператор
Межступенчатый охладитель (МСО)
Устанавливается между ступенями многоступенчатого компрессора. Охлаждает газ после сжатия перед следующей ступенью. Цель: приблизить процесс сжатия к изотермическому и снизить работу компрессора.
Задача: охлаждение природного газа после 1-й ступени ЦК. Расход газа — 20 млн м³/сут, давление 4,5 МПа, температура входа 95°C, требуемая на выходе — 25°C.
Конструкция: горизонтальный КТО, кожух Ду 1000, трубки Ø25×2,5 мм (09Г2С), 2 хода по трубному, длина труб 6 м, площадь 820 м².
Результат: снижение температуры с 95°C до 22°C, экономия мощности компрессора 2-й ступени ≈8%.
Концевой охладитель (КСО)
Устанавливается после последней ступени компрессора. Задача — снизить температуру газа до нормируемого значения (обычно не выше 40°C по условиям трубопровода). Одновременно обеспечивает конденсацию и отбивку влаги, масла и тяжёлых углеводородов.
Рекуператор тепла
Рекуперация тепла сжатого газа — использование тепловой энергии компрессора вместо её сброса. Горячий газ (80–150°C) отдаёт тепло: системе ГВС цеха, системе отопления, технологическому нагреву (сушилки, мойка), нагреву топочного воздуха.
Компрессор мощностью 200 кВт генерирует ≈160 кВт тепла. При правильной схеме рекуперации 70–90% этой энергии (110–140 кВт) возвращается в производственный процесс.
Стоимость рекуператора на воздушный компрессор 200 кВт — от 300 000 руб. При цене тепла 2000 руб/Гкал и 6000 ч/год работы экономия составляет ≈1,2 млн руб/год. Срок окупаемости — 3–4 месяца.
6. Материалы по рабочему давлению газа
| Давление газа | Материал трубок | Материал кожуха / камер | Применение |
|---|---|---|---|
| До 4 МПа | Сталь 20 (ГОСТ 8732) | Ст.20, Ст.3 | Воздух, нейтральные газы |
| До 10 МПа | 09Г2С (низколегированная) | 09Г2С | Природный газ МГ, азот |
| До 16 МПа | 12ХМ, 15ХМ (хромомолибденовая) | 09Г2С, 12ХМ | Высокое давление, водород |
| Кислые газы (H₂S) | 08Х18Н10Т (AISI 321) или Incoloy 825 | 09Г2С + антикор. покрытие | Сероводородные газы ГПЗ |
| CO₂ выше 7 МПа | 316L или Duplex 2205 | 316L или углерод. сталь + ингибитор | Уплотнение CO₂, CCS |
| Хлорсодержащие газы | Hastelloy C-276, Ti Grade 2 | Hastelloy или легированные стали | Химическая промышленность |
Требования NACE MR0175 для кислых сред
При парциальном давлении H₂S выше 0,0003 МПа среда считается кислой по NACE MR0175 / ISO 15156. Ограничения: твёрдость не выше HRC 22, специальная термообработка, контролируемые сварочные процедуры. Стандартная сталь 20 в кислых средах склонна к сульфидному растрескиванию под напряжением (SSC).
Термообработка после сварки (PWHT)
Сосуды высокого давления (выше 5 МПа) подлежат PWHT по ГОСТ 34347 или ASME VIII. Снятие сварочных напряжений критично для аппаратов в водородных средах — без PWHT возможно водородное охрупчивание стали.
7. Сравнение с воздушным охладителем газа (АВО)
| Критерий | КТО газ-вода | АВО (воздушное охлаждение) |
|---|---|---|
| Конечная температура газа | Вода + 5–10°C (летом: 30–35°C) | Воздух + 10–20°C (летом: 45–55°C) |
| Необходимость воды | Нужна оборотная вода | Не нужна |
| Занимаемая площадь | Компактный | Большая горизонтальная площадка |
| Работа при морозе (ниже −30°C) | Риск замерзания, нужен антифриз | Регулировка жалюзи, надёжно |
| Высокое давление газа (более 7 МПа) | Стандартная конструкция | Специальные трубки, дороже |
| Шум | Тихий (нет вентиляторов) | Шум вентиляторов 80–90 дБ |
| Потребление энергии | Насос воды (0,5–2% от Q охл.) | Вентиляторы (2–5% от Q охл.) |
| Техобслуживание | Промывка трубок раз в 5 лет | Чистка оребрения раз в год |
Когда выбирать КТО газ-вода
- Есть доступная оборотная или речная вода
- Требуется минимальная конечная температура газа (ниже 35°C летом)
- Площадка ограничена — КТО в разы компактнее АВО
- Высокое давление газа (более 7 МПа)
- Требование по шуму — КТО работает бесшумно
Когда выбирать АВО
- Нет источника воды — удалённые КС, пустынные регионы
- Высокая вероятность замерзания оборотной воды (Сибирь, Крайний Север)
- Газ не нужно охлаждать ниже 40–45°C
На практике применяют комбинированные схемы: АВО снижает температуру газа со 120°C до 50–60°C, затем КТО газ-вода дохлаждает до 25–30°C. Это уменьшает площадь АВО и снижает расход оборотной воды.