Formation of temperature distribution in a regenerative heat exchanger during the initial cooling period of a cryogenic reduction unit of main natural gas

Abstract

This article examines the startup period of a natural gas pipeline cryogenic reduction unit (CRU) within a gas distribution station (GDS). The objective of the study is to determine the temperature distribution within a regenerative heat exchanger (RHE) during the CRU's initial cooling stage. This objective was achieved through an analysis of primary cooling methods for the regenerator packing and through numerical experiments to determine the optimal filtration rate and switching time. The study involved a CRU operating on a simple throttling cycle and using RHE. The numerical experiments yielded the optimal filtration rate and blast duration for the natural gas pipeline. Software was developed using a mathematical model of the CRU and implemented in the Python programming language. The most important result is the shape of the temperature distribution curve across the packing bed height during the initial startup of the CRU. Based on the research conducted, it has been shown that increasing the steady-state operating time of the CRU is accompanied by an expansion of the zone of active heat transfer to the upper portion of the packed heat exchanger. The significance of these results lies in the development of a methodology for studying the formation and height distribution of temperatures within the CRU's regenerative heat exchanger. This allows for an analysis of its operating efficiency during the initial cooling period and paves the way for further research under conditions of daily uneven gas consumption in the city network.

Acest articol examinează perioada de pornire a unei unități criogenice de reducere (CRU) pentru conducte de gaze naturale în cadrul unei stații de distribuție a gazelor (GDS). Obiectivul studiului este de a determina distribuția temperaturii într-un schimbător de căldură regenerativ (RHE) în timpul etapei inițiale de răcire a CRU. Acest obiectiv a fost atins printr-o analiză a metodelor de răcire primară pentru umplutura regeneratorului și prin experimente numerice pentru a determina rata optimă de filtrare și timpul de comutare. Studiul a implicat o CRU care funcționează pe un ciclu simplu de strangulare și utilizează RHE. Experimentele numerice au produs rata optimă de filtrare și durata de explozie pentru conducta de gaze naturale. Software-ul a fost dezvoltat folosind un model matematic al CRU și implementat în limbajul de programare Python. Cel mai important rezultat este forma curbei de distribuție a temperaturii pe înălțimea patului de umplutură în timpul pornirii inițiale a CRU. Pe baza cercetărilor efectuate, s-a demonstrat că creșterea timpului de funcționare în regim staționar al CRU este însoțită de o extindere a zonei de transfer activ de căldură către porțiunea superioară a schimbătorului de căldură umplut. Semnificația acestor rezultate constă în dezvoltarea unei metodologii pentru studierea formării și distribuției înălțimii temperaturilor în schimbătorul de căldură regenerativ al CRU. Acest lucru permite o analiză a eficienței sale de funcționare în perioada inițială de răcire și deschide calea pentru cercetări ulterioare în condiții de consum zilnic neuniform de gaze în rețeaua orașului.

Статья посвящена исследованию пускового периода эксплуатации блока криогенного редуцирования (БКР)магистрального природного газа в составе газораспределительной станции (ГРС). Целью работы является формирование распределения температур в регенеративном теплообменном аппарате на этапе первичного охлаждения БКР. Для достижения поставленной цели был проведен анализ способов первичного охлаждения насадки регенератора, проведены численные эксперименты по поиску оптимальной скорости фильтрации и времени переключения. Объектом исследования являлся блок криогенного редуцирования магистрального природного газа, работающий по циклу простого дросселирования и с использованием регенеративных теплообменных аппаратов (регенераторов) с насыпной насадкой из кускового базальта. В результате проведенных численных экспериментов были подобраны оптимальная скорость фильтрации магистрального природного газа и продолжительность дутья. Разработано программное обеспечение на базе математической модели блока криогенного редуцирования, которое было реализовано с помощью высокоуровневого языка программирования Python.Наиболее важным результатом является форма кривой распределения температур по высоте слоя насадки при первичном запуске блока криогенного редуцирования. Исходя из проведенных исследований показано, что увеличение продолжительности работы БКР в установившемся режиме сопровождается расширением зоны активной передачи теплоты в верхнюю часть насадочного теплообменного аппарата. Значимость полученных результатов заключается в разработке методики, позволяющей исследовать формирование распределение температур по высоте регенеративного теплообменного аппарата БКР. Это позволяет проанализировать эффективность его работы в период начального охлаждения, а также создает предпосылки для дальнейших исследований в условиях суточной неравномерности расхода газа в городской сети.