توصيفگر ها :
گاز طبيعي , ايستگاه كاهش فشار , گرمكن غيرمستقيم , راندمان گرمايي
چكيده فارسي :
گرمكنهاي غيرمستقيم حمام آب از تجهيزات كليدي در ايستگاههاي كاهش فشار گاز طبيعي به شمار ميروند كه وظيفهي پيشگرمايش جريان گاز را قبل از ورود به فرآيند كاهش فشار بر عهده دارند. با وجود نقش اساسي اين تجهيزات در جلوگيري از تشكيل هيدرات و انسداد مسير انتقال گاز، ميزان بالاي مصرف سوخت و بازده گرمايي پايين آنها از چالشهاي مهم صنعت گاز كشور بهحساب ميآيد. هدف از اين پژوهش، تعيين مكانيسمهاي انتقال گرما و مقاومتهاي موجود در مسير آن، جهت ارائهي راهكارهايي براي افزايش راندمان انرژي و كاهش مصرف سوخت در گرمكنهاي گاز است. در همين راستا، گرمكن ايستگاه كاهش فشار زاغه در شهرستان شهرضا، با ظرفيت 30٬000 مترمكعب استاندارد بر ساعت، انتخاب و عملكرد آن از طريق اندازهگيريهاي ميداني و شبيهسازي عددي بررسي شد. نتايج نشان داد كه در فرآيند انتقال گرما از حمام آب به جريان گاز، حدود 59 درصد از مقاومت گرمايي به بخش بيروني كويل، 6 درصد به ديوارهي آن و بقيه به داخل كويل انتقال گاز اختصاص دارد؛ توزيعي كه منجر به اختلاف دمايي در حدود 13 درجهي سلسيوس ميان گاز و حمام آب شده است. همچنين، بررسيها حاكي از وقوع پديدهي جوشش مادونسرد در سطح لولهي آتشدان است؛ بهگونهاي كه در شار حرارتي 3350 وات بر مترمربع، دماي ميانگين سطح لوله حدود 103 درجهي سلسيوس برآورد گرديد. در اين حالت، حبابهاي بخار تشكيلشده بهسرعت متراكم ميشوند و مقدار قابلتوجهي از انرژي را به حمام منتقل ميكنند. بر اساس موازنهي انرژي صورتگرفته، راندمان حرارتي گرمكن در شرايط عملياتي آن 41 درصد محاسبه شد كه بسيار كمتر از راندمان 71 درصدي اعلامشده توسط سازنده است. همچنين، اتلاف انرژي از بدنه و دودكش بهترتيب حدود 1 درصد و 4/4 درصد از كل انرژي حاصل از احتراق برآورد شد. در اين پژوهش، از ميان چهار سناريوي بررسيشده براي پيكربندي كويلها، حالتي كه در آن كويل اوليه به دو كويل موازي تقسيم و شدت جريان دو برابر شد، بهترين عملكرد را داشت. در اين سناريو، با افزايش 5 درجهاي دماي حمام، نرخ انتقال حرارت به جريان گاز دو برابر گرديد. افزون بر يافتههاي فني، نتايج اين مطالعه نشان ميدهد كه راهكارهايي نظير حذف اتيلنگليكول بهمنظور توسعهي جوشش مادونسرد و نيز بهكارگيري پمپ براي بهبود همرفت و كاهش مقاومت گرمايي در سطح كويلها، از جمله اقدامات موثر براي ارتقاي عملكرد حرارتي گرمكنها بهشمار ميآيند. اين راهكارها از نظر اقتصادي مقرونبهصرفه بوده و در بازههاي زماني كوتاه قابل اجرا هستند.
چكيده انگليسي :
Indirect water bath heaters are key components in natural gas pressure reduction stations, responsible for preheating the gas stream before it enters the pressure reduction process. Despite their essential role in preventing hydrate formation and gas flow blockage, their high fuel consumption and low thermal efficiency remain significant challenges in Iran’s gas industry. This study aims to identify the mechanisms of heat transfer and the resistances along its path in order to propose solutions for improving energy efficiency and reducing fuel consumption in gas heaters. To this end, the heater at the Zagheh pressure reduction station in Shahreza, with a capacity of 30,000 standard cubic meters per hour, was selected and its performance evaluated through field measurements and numerical simulations. Results showed that in the heat transfer process from the water bath to the gas stream, approximately 59% of the thermal resistance is attributed to the outer surface of the coil, 6% to the coil wall, and the remainder to the inside of the gas flow path—resulting in a temperature difference of about 13°C between the gas and the bath. Furthermore, investigations revealed the occurrence of subcooled boiling on the surface of the firetube; at a heat flux of 3350 W/m², the average tube surface temperature was estimated at around 103°C. In this regime, vapor bubbles collapse rapidly and transfer a substantial amount of energy to the bath. Based on the energy balance analysis, the heater’s thermal efficiency under operational conditions was calculated to be 41%, which is significantly lower than the 71% efficiency reported by the manufacturer. Additionally, energy losses through the heater body and the stack were estimated at approximately 1% and 4.4% of the total combustion energy, respectively. Among the four coil configuration scenarios evaluated in this study, the best performance was observed when the primary coil was split into two parallel coils with doubled flow rate. In this scenario, a 5°C increase in bath temperature led to a twofold increase in heat transfer to the gas stream. In addition to these technical findings, the study highlights the effectiveness of strategies such as removing ethylene glycol to promote subcooled boiling and using a pump to enhance natural convection and reduce thermal resistance along the coil surface. These measures are economically viable and can be implemented within short timeframes.