close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

182.Максимов С.А.Моделирование и обоснование резервуарных систем

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
МАКСИМОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ РЕЗЕРВУАРНЫХ СИСТЕМ
СНАБЖЕНИЯ СЖИЖЕННЫМ ГАЗОМ С ПЕРЕГРЕВОМ ПАРОВ
В ТРУБЧАТЫХ ГРУНТОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ
05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха,
газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов – 2014
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Научный руководитель :
Курицын Борис Николаевич
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Попов Виктор Михайлович
доктор технических наук, профессор,
Воронежская государственная лесотехническая
академия, кафедра электротехники,
теплотехники и гидравлики, профессор
Федулова Людмила Ивановна
кандидат технических наук, доцент,
Воронежский государственный аграрный
университет, кафедра высшей математики
и теоретической механики, доцент
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Воронежский
государственный технический университет»
Защита диссертации состоится «15» мая 2014 года в 1300 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном
архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж,
ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220; тел./факс: +7(473)271-53-21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Текст диссертации
размещен на официальном сайте Воронежского ГАСУ. Автореферат размещён на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте
Воронежского ГАСУ http://edu.vgasu.vrn.ru
Автореферат разослан «14» марта 2014 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Колосов А.И.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Сжиженные углеводородные газы (СУГ) получили широкое распространение как источник газоснабжения городов и сельских населенных пунктов Российской Федерации, удаленных от магистральных газопроводов природного сетевого газа.
Наиболее эффективную форму снабжения потребителей сжиженным газом обеспечивают индивидуальные или групповые резервуарные установки с
подземным расположением резервуаров. Подавляющее большинство резервуарных установок работают по принципу естественной регазификации в самих расходных резервуарах, используя природную теплоту грунтового
массива.
Все виды углеводородных газов в реальных условиях содержат в том
или ином количестве растворенную воду. При дросселировании парожидкостной смеси растворенная в газе влага выделяется в свободном состоянии
и образует ледяные или гидратные пробки, которые забивают проходные сечения регуляторов давления и трубопроводной обвязки редуцирующих головок резервуаров.
Наличие ледяных или гидратных пробок уменьшает пропускную способность редуцирующих головок резервуаров вплоть до прекращения подачи
газа потребителям. Указанное обстоятельство снижает надежность систем
газоснабжения и создает предпосылки к аварийным ситуациям.
Радикальным решением вопроса является перегрев паровой фазы СУГ
перед подачей ее в регуляторы давления до температуры, исключающей процессы кристаллизации влаги. Достаточно простое и надежное решение задачи представляет применение трубчатых грунтовых теплообменников, обеспечивающих перегрев паровой фазы СУГ за счет естественной природной
теплоты грунтового массива.
Широкое применение трубчатых грунтовых теплообменников в качестве
пароперегревателей сжиженного газа требует разработки соответствующих
конструктивных решений и научного обоснования по их эффективному использованию в практике резервуарного снабжения сжиженным газом.
Необходимость и первостепенная значимость решения указанных вопросов определяют актуальность данной диссертационной работы.
Представленная работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы «Моделирование и оптимизация энергосберегающих систем
газо-, теплоснабжения и строительной климатотехники».
Цель работы: моделирование и обоснование резервуарных систем
снабжения сжиженным газом с перегревом паров в трубчатых грунтовых
теплообменниках.
Поставленная цель реализуется путем решения следующих задач:
1. Анализ технических особенностей эксплуатации регуляторов давления резервуарных установок при работе на влагосодержащем сжиженном
3
газе и выявление исходных предпосылок к образованию ледяных или гидратных пробок;
2. Разработка технологической схемы перегрева паров СУГ в трубчатых
грунтовых теплообменниках с целью предупреждения кристаллизации влаги
в дросселирующих органах регуляторов давления;
3. Моделирование теплообмена и обоснование температурных режимов
эксплуатации подземных резервуарных установок сжиженного газа;
4. Моделирование теплообмена и обоснование температурных режимов
эксплуатации трубчатых грунтовых пароперегревателей сжиженного газа;
5. Технико-экономическое обоснование конструктивных параметров
подземных резервуарных установок с перегревом паров сжиженного газа в
трубчатых грунтовых теплообменниках.
Научная новизна:
- математические модели теплообмена в подземных резервуарных установках сжиженного газа, эксплуатируемых в режиме хранения СУГ, отличительной особенностью которых является наличие теплового взаимодействия
паровой фазы СУГ с окружающим грунтовым массивом и атмосферным
воздухом;
- математическая модель теплообмена в трубчатых грунтовых пароперегревателях СУГ в условиях теплового воздействия расходного резервуара
СУГ;
- результаты экспериментальной апробации предложенных математических моделей теплообмена в подземных резервуарных установках сжиженного газа, оборудованных трубчатыми грунтовыми пароперегревателями;
- экономико-математическая модель оптимизации тепловой защиты восходящего участка грунтового теплообменника и шкафной газорегуляторной
установки, обеспечивающей подачу в редуцирующий узел перегретых паров
СУГ при минимальных затратах в монтаж теплотеряющих элементов.
Достоверность результатов исследований подтверждается использованием фундаментальных положений теории и практики теплообмена, современных методов математического и экономико-математического моделирования, а также результатов экспериментальных наблюдений. Основные
положения и выводы диссертационной работы коррелируются с данными
других исследователей.
Научная и практическая значимость работы. Предложенные математические модели и разработанные на их основе инженерные методы расчета
и проектирования резервуарных установок сжиженного газа, оборудованных
трубчатыми грунтовыми пароперегревателями, обеспечивают повышение
надежности эксплуатации резервуарных систем газоснабжения с естественной регазификацией СУГ, за счет предупреждения кристаллизации влаги в
дросселирующих органах регуляторов давления.
4
Для практической реализации предложенных математических моделей
средствами вычислительной техники при участии соискателя был разработан
пакет прикладных программ.
В целях широкого использования результатов диссертационной работы
в газораспределительной отрасли РФ при участии соискателя разработан
нормативный отраслевой документ: СТО 03321549-021-2012 «Предупреждение образования ледяных и гидратных пробок в системах резервуарного
снабжения сжиженным газом», дата введения - 01.11.2012 г.
Материалы научных исследований и разработок используются в лекционных курсах по дисциплинам «Газоснабжение» и «Системы снабжения
сжиженным газом», читаемых на кафедре ТГВ СГТУ для студентов и магистрантов, а также в курсовом и дипломном проектировании студентов, в
научной подготовке аспирантов и соискателей кафедры.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IX Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (г. Пенза, 2009 г.); XI Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и
экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (г. Пенза, 2010 г.); Международном научно-практическом симпозиуме «Социальноэкономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (г. Саратов, 2010 г.); Всероссийской научнопрактической конференции «Теплогазоснабжение: состояние, проблемы,
перспективы» (г. Оренбург, 2011 г.); научных семинарах и конференциях
Саратовского государственного технического университета (г. Саратов,
2009-2012 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ,
общим объемом 71 страница, из них лично автору принадлежит 39 страниц.
Пять работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК: «Вестник
гражданских инженеров»; «Вестник МГСУ»; «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура»; «Приволжский научный журнал»; «Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Серия: Строительство и архитектура».
В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертационных исследований: в работах [1, 3]
приведены результаты моделирования теплообмена при хранении и регазификации СУГ в подземных резервуарных установках в условиях комплексного воздействия естественных температур грунтового массива и атмосферного
воздуха; в работе [2] рассматриваются результаты экономикоматематического моделирования по определению оптимальных толщин тепловой изоляции участков трубной обвязки редуцирующего узла резервуарных установок СУГ; в работе [4] приводятся технические решения по предупреждению гидратообразования в системах резервуарного снабжения сжи5
женным газом на основе перегрева паров в трубчатых грунтовых теплообменниках; в работе [5] приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса дросселирования влагосодержащего
сжиженного газа в регуляторах давления резервуарных установок.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 92 наименований
и 4 приложений. Общий объем работы 183 страницы, включая 15 таблиц
и 24 рисунка.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводится анализ литературных источников, освещающих проблему предупреждения кристаллизации влаги в системах газоснабжения. Вопросу предупреждения образования ледяных и гидратных
пробок в системах газоснабжения посвящены многочисленные публикации в
отечественной и зарубежной литературе. Наиболее полно и обоснованно
данные вопросы решены в системах добычи и распределения природного
газа.
В то же время, применительно к системам газоснабжения на базе сжиженного углеводородного газа, представленная в литературе информация носит фрагментарный, часто противоречивый характер и требует критического
анализа и дополнительных исследований.
По результатам проведенного анализа выявлены количественные закономерности растворения воды в паровой и жидкой фазах индивидуальных
углеводородов (пропана и бутана) и условия ее кристаллизации в регуляторах давления резервуарных установок.
Установлено, что наличие (отсутствие) твердой фазы воды в дросселирующих органах регуляторов давления зависит от структуры дросселируемого потока:
- дросселирование насыщенных (перегретых) паров СУГ при условии их
полного водонасыщения сопровождается увеличением влагоемкости газа.
Отсутствие в потоке свободной воды исключает образование ее твердой
фазы (льда или гидратов);
- дросселирование насыщенной жидкости (парожидкостной смеси) сопровождается снижением влагоемкости потока. Как следствие, в дросселирующем органе регуляторе (сопло и зазор между соплом и клапаном) выделяется свободная вода, которая при соответствующих условиях (температура
и давление СУГ) замерзает, или образует гидраты.
Достаточно простое и надежное решение задачи предупреждения кристаллизации влаги в дросселирующих органах регуляторов давления обеспе6
чивает технологическая схема перегрева паровой фазы СУГ в трубчатых
грунтовых теплообменниках, использующих природную теплоту грунтового
массива (рисунок 1). Новизна и оригинальность схемы защищена патентом
на изобретение.
Рисунок 1. Принципиальная схема снабжения сжиженным газом от подземной
резервуарной установки с перегревом паров в трубчатом грунтовом теплообменнике:
1 - подземный резервуар; 2 - трубопровод паровой фазы СУГ;
3 - вентиль; 4 - трубчатый грунтовый теплообменник; 5 - шкафной газорегуляторный
пункт; 6 - регулятор давления; 7 - газопровод низкого давления; 8 - тепловая изоляция;
9 - защитный кожух резервуара
Схема работает следующим образом. Паровая фаза СУГ отбирается из
расходного резервуара 1 с помощью внутренней газоотводящей трубы 2 и
подается в грунтовый теплообменник 4, выполненный из стального трубопровода, проложенного по контуру котлована резервуарной установки. Для
отключения грунтового теплообменника используется вентиль 3. Перегретые
пары СУГ по восходящему участку грунтового теплообменника поступают в
шкафной газорегуляторный пункт 5. Редуцирующий узел шкафного ГРП
комплектуется на базе газового оборудования типового газорегуляторного
пункта ГРПШ-6 (6). Пройдя узел редуцирования, паровая фаза СУГ поступает в трубопровод потребителя 7. Для уменьшения теплопотерь восходящий
участок грунтового теплообменника, а также шкаф для узла редуцирования
теплоизолируются пенополиуретаном.
7
Практическая реализация схемы требует разработки научно обоснованных методов расчета конструктивных параметров и рациональных режимов
ее эксплуатации. Указанное обстоятельство обусловливает необходимость
изучения процессов теплообмена между грунтом и технологическими элементами схемы по комплексу: подземный резервуар - грунтовый теплообменник - узел редуцирования давления газа.
Во второй главе приводятся результаты теоретических исследований
теплообмена в подземных резервуарных установках сжиженного газа.
Вопросы теплообмена в подземных резервуарных установках рассматриваются в работах многих отечественных и зарубежных авторов. Наиболее
близкими и обоснованными представляются решения задачи, приведенные в
работах Б.Н. Курицына, Н.И. Никитина и О.Б. Шамина. Однако указанные
решения получены при отсутствии теплообмена паровой подушки резервуара
с окружающим грунтовым массивом и атмосферным воздухом. В известной
мере, указанное допущение может быть оправдано при эксплуатации резервуарной установки в режиме регазификации сжиженного газа, когда температура жидкой фазы СУГ поддерживается ниже температуры грунта и
наружного воздуха. При этом выходящие из резервуара перегретые пары при
дросселировании в регуляторе давления не вызывают кристаллизации
растворенной влаги.
При эксплуатации в режиме хранения сжиженного газа (при отсутствии
или небольшом газопотреблении) резервуарная установка работает при повышенной температуре хранимого газа.
При этом полученные в резервуаре пары частично отбираются потребителем, а частично конденсируются в верхней части резервуара за счет теплообмена паровой подушки с более холодными слоями грунта и атмосферным
воздухом.
Выходящие из резервуара насыщенные пары под воздействием низких
температур наружного воздуха частично конденсируются в трубопроводной
обвязке регулятора давления. Последующее дросселирование парожидкостной смеси вызывает кристаллизацию растворенной влаги (образование ледяных или гидратных пробок).
Расчетная схема задачи теплового взаимодействия подземного вертикального резервуара с окружающим грунтом и наружным воздухом приводится на рисунке 2.
Используя принцип квазистационарных тепловых состояний, широко
применяемый при решении задач теплообмена в подземных сооружениях,
математическую постановку задачи можно сформулировать в виде следующей системы уравнений:
а) дифференциальное уравнение температурного поля грунта
 2 t 1 t  2 t
  
 0;
r 2 r r y 2
8
(1)
Рисунок 2. Расчетная схема теплового взаимодействия подземного резервуара
сжиженного газа с грунтовым массивом и наружным воздухом
б) граничные условия:
- на внутренней поверхности резервуара в грунтовом массиве при y→∞
и r→∞
tFкип = tFкон = tж = tn =const;
(2)
t(y) = tв(y);
(3)
- на поверхности грунта (по методу дополнительной стенки)
t пов  t в
H


 доп (t пов  t в ); H доп  м  сн  м ;
 сн 1
м
сн
о

сн
в
(4)
в) уравнение теплового баланса резервуара
Q рез  
t
 K ( Fнг  Fф )  (t ж  t в )  rG
n
Fрез

1
2
при   ( м  т ) .
(5)
(6)
Для решения задачи воспользуемся методом тепловых источниковстоков и суперпозиции (наложения) температурных полей.
Заменим сложное температурное поле в грунтовом массиве суммой
более простых температурных полей:
- первое поле - собственное температурное поле грунта, которое генерирует по глубине заданное распределение температур te(y);
- второе поле, которое возбуждает в массиве с нулевой температурой
поверхности система точечных тепловых источников интенсивностью Qi,
где i = 1,2, … n.
9
Результирующее температурное поле в точке M массива с координатами
yм и rм описывает следующая температурная функция:
tм 

1
1

Q


i
4 i 1  ( yi  y м ) 2  rм2
(2 yi  y м ) 2  rм2

1
n

  t e ( y) ,

(7)
где yi; ri = 0 - координаты i-го теплового источника.
Температурная функция (7) отвечает уравнению Лапласа (1) и граничным условиям задач (3) и (4).
Для выполнения граничного условия (2) возьмем на контуре, соответствующем поверхности резервуара, n точек с координатами yм и rм при
М = 1,2, … n и положим в уравнении (7) tм=tж.
В результате получим систему из n линейных уравнений с n+1 неизвестными Qi; tж.
Замыкающее уравнение согласно (5) имеет следующий вид:
n
Q
i
i 1
 K ( Fнг  Fф )(t ж  t в )  rG ,
(8)
где G - расход паровой фазы СУГ.
В том числе при отсутствии отбора паров:
n
Q
i 1
i
 K ( Fнг  Fф )(t ж  t в ) .
(9)
Аналогично при отсутствии теплопотерь через надземную часть горловины и фланец распределительной головки резервуара:
n
Q
i 1
i
 0.
(10)
Приведенная математическая модель (1)-(10) удобна для программирования и успешно реализуется на ПЭВМ. Программное обеспечение приводится в приложении к диссертации.
Аналогичное решение получено для подземного резервуара сжиженного
газа с горизонтальным размещением в грунте.
В третьей главе приводятся результаты теоретических исследований
теплообмена в трубчатых грунтовых пароперегревателях сжиженного газа.
Особенности теплопередачи в трубчатых грунтовых теплообменниках
сжиженного газа широко освещаются в известной литературе (Б.Н. Курицын,
А.П. Усачев, В.П. Богданов, А.Н. Юшин, М.В. Павлутин и др.).
В качестве исходной предпосылки при постановке задачи авторами используется допущение, что грунтовый теплообменник удален на достаточно
большое расстояние от расходного резервуара, вследствие чего тепловой режим его эксплуатации формируют внутренняя среда (жидкая фаза СУГ) с заданной температурой кипения и окружающий грунтовый массив, имеющий
собственное температурное поле.
При расположении грунтового теплообменника в непосредственной
близости от расходного резервуара (например, при прокладке трубопровода
по контуру котлована) и его использовании в условиях перегрева паровой
10
фазы, то есть при минимальном тепловом воздействии на окружающий
грунт, температурные режимы его эксплуатации формируются, главным образом, за счет внешнего теплового влияния резервуарной установки при заданных условиях внутреннего теплообмена в системе: гидротеплоизоляция трубопровод - паровая фаза СУГ.
В соответствии с технологической схемой резервуарной установки
(рисунок 1) расчленим сложную теплотехническую задачу на четыре взаимосвязанные подзадачи (по числу конструктивных элементов трубопровода
паровой фазы):
- теплообмен на пароперегревательном участке подземного трубопровода;
- теплообмен на восходящем участке подземного трубопровода;
- теплообмен на восходящем участке надземного трубопровода;
- теплообмен в шкафном газорегуляторном пункте.
Для решения задачи воспользуемся конечно-разностным методом. Для
этого разделим общую длину подземной части грунтового теплообменника
на ряд расчетных отрезков длиной ∆lζ,k (при ζ = 1,2 и k = 1,2 … m) с заданной
переменной температурой на поверхности гидро(тепло)изоляционного слоя,
обусловленной тепловым воздействием резервуара:
t ,k 
1

n
1
 Q 
4
i 1
i
2
2
 ( yi  y k )  rk


  te ( yk ) .
2
2
(2 yi  y k )  rk 
1
(11)
Уравнения теплового баланса для ζ-го элемента резервуарной установки
имеют следующий вид:
- грунтовый пароперегреватель (ζ=1)
нач
cп G(t пкон
(12)
, пп, k  t п , пп, k )  q пп l пп, k ,
нар
вн
qпп  f [(t гр,пп,k  t пнач
где
(13)
, пп, k ); d тр ; d тр ;  пп,из ; пп,из ;  ] ;

Nuп
; Nu  0,023 Re 0,8 Pr 0, 4 ;
вн
d тр
- восходящий подземный участок грунтового теплообменника (ζ=2)
кон
cп G(t пнач
,впу, k  t п ,впу, k )  qвпу l впу, k ,
нар
qвпу  f [(t пнач
где
,впу, k  t гр,впу, k ); d тр ;  впу, т / из ; впу, т / из ] ;
- восходящий надземный участок грунтового теплообменника (ζ=3)
кон
cп G(t пнач
,вну  t п ,вну )  qвну l вну ,
нар
qвну  f [(t пнач
где
,вну  t в ); d тр ;  вну , т / из ; вну , т / из ] ;
- шкафной газорегуляторный пункт
кон
cп G(t пнач
,шгрп  t п ,шгрп )  Qшгрп ,
где
Qшгрп  f [(
t
нач
п ,шгрп
t
2
кон
п ,шгрп
 t в ); Dвн ;  шгрп,т / из ; шгрп,т / из ] .
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
В уравнениях (12)-(20) использованы следующие буквенные обозначения:
11
c - массовая теплоемкость, Вт∙ч/(кг∙°С); G - расход паровой фазы, кг/ч;
t - температура, °С; q - удельный тепловой поток, Вт/м; α, K - коэффициенты
теплоотдачи и теплопередачи, Вт/(м2∙°С); Nu, Re, Pr - критерии Нуссельта,
Рейнольдса и Прандтля; d, D - диаметр трубопровода, шкафного ГРП, м;
δ - толщина, м.
Буквенные индексы: п - паровая фаза СУГ; пп - пароперегреватель;
впу - восходящий подземный участок грунтового теплообменника; вну - восходящий надземный участок грунтового теплообменника; шгрп - шкафной
ГРП; гр - грунт; из - гидроизоляция; т/из - тепловая изоляция; нач - начало;
кон - конец; нар - наружный; вн - внутренний; тр - трубопровод.
Искомое распределение температур паровой фазы СУГ по элементам
резервуарной установки tζ,k находится путем последовательного решения
уравнений (11)-(20) шаговым методом при соблюдении граничных условий:
кон
нач
t кон
 tнач
(21)
, k  t  , k 1 ; t
1.
Конструктивные параметры тепловой изоляции λву,т/из, δшгрп,т/из на теплотеряющих элементах резервуарной установки принимаются из условия
соблюдения температурного баланса:
кон
кон
кон
t пкон
(22)
, пп  t п  t п , пп  t п , шгрп , при t п , шгрп  t п .
Приведенная система (11)-(22) формирует математическую модель задачи. Модель реализуется средствами вычислительной техники в соответствии
с программным обеспечением, разработанным при участии соискателя.
В целях численной реализации предложенной математической модели
(11)-(22) были проведены соответствующие расчеты применительно к резервуарной установке на базе вертикального подземного резервуара объемом
4,7 м3, эксплуатируемой в условиях холодной климатической зоны.
Результаты расчета представлены в таблице 1.
Таблица 1
Температурные режимы эксплуатации резервуарной установки сжиженного газа
с перегревом паров в трубчатом грунтовом теплообменнике
Температура грунта на глубине заложения грунтового
теплообменника, °С
В естественном состоянии
+2,03
С учетом
теплового
воздействия
резервуара
+0,62
Температура паровой фазы СУГ в элементах резервуарной установки, °С
Подземный Пароперегреватель
Восходящий учаШкафной ГРП
резервуар
грунтового теплосток грунтового
обменника
теплообменника
На вхоНа выНа вхо- На выНа вхо- На выде
ходе
де
ходе
де
ходе
-8,63
-8,63
+0,52
+0,52
-2,77
-2,77
-8,63
Как видно из таблицы, применение трубчатого грунтового теплообменника в сочетании с тепловой изоляцией теплотеряющих элементов, обеспечивает подачу в регулятор давления перегретой паровой фазы СУГ, что
исключает образование ледяных или гидратных пробок.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований тепловых режимов эксплуатации подземных резервуарных установок,
оборудованных трубчатыми грунтовыми пароперегревателями СУГ.
12
В качестве объекта испытаний использовалась резервуарная установка
сжиженного газа на базе вертикального подземного резервуара объемом
1,3 м3, оборудованного трубчатым грунтовым пароперегревателем и шкафной газорегуляторной установкой на базе шкафного ГРП марки ГРПШ-6.
Испытания проводились в зимних условиях эксплуатации в режиме
естественной динамики уровня заполнения резервуара, температуры грунта,
воздуха и других определяющих параметров.
Такая предпосылка к проведению эксперимента обусловливает максимальное влияние нестационарности на количественные показатели теплового
процесса.
В процессе испытаний замерялись следующие величины и параметры:
- расход сжиженного газа;
- температура сжиженного газа в резервуаре на различных отметках по
его высоте;
- температура сжиженного газа на входе в регулятор давления;
- температура наружного воздуха;
- естественная температура грунта на различных отметках по глубине
грунтового массива;
- теплофизические характеристики грунта и др.
Замеры температур проводились с помощью лабораторных термометров
ТЛ-4 с ценой деления 0,1, которые размещались в специальных карманах,
предусмотренных конструкцией экспериментальной установки.
Отбор газа из резервуара замерялся двумя счетчиками ГСБ-400, включенными параллельно.
Теплофизические характеристики грунтового массива, включая коэффициент теплопроизводительности, определялись по стандартным методикам,
путем лабораторного анализа проб грунта, взятого на различных горизонтах
заложения.
Измерения параметров проводились с периодом в 8-12 часов и дублировались не менее 3 раз с интервалом в 20-30 минут с последующим осреднением в суточном диапазоне.
Результаты экспериментальных исследований приводятся на рисунке 3.
Как показывают результаты экспериментальных исследований, несмотря на значительные колебания температуры наружного воздуха в течение периода испытаний, естественное распределение температур в грунтовом массиве, а также температурные режимы эксплуатации элементов резервуарной
установки отличаются высокой стабильностью в течение длительного промежутка времени (5-7 и более суток). Указанное обстоятельство объясняется
значительной инерционностью тепловых процессов, протекающих в грунтовом массиве, что подтверждает корректность квазистационарной постановки
задачи, принятой при разработке теоретических моделей.
Как видно из графиков, теоретические и экспериментальные значения
температурных параметров достаточно хорошо согласуются друг с другом.
13
- теория;
- эксперимент
а) Естественные температуры грунта
б) Температура сжиженного газа
1 - температура на входе в узел редуцироваи атмосферного воздуха
1,2,3,4,5 - естественная температура грун- ния; 2 - температура в расходном резервуаре
та на отметках 4,3,2,1 и 0,5 м от его поверхности; 6 - температура атмосферного
воздуха
Рисунок 3. Температурные режимы эксплуатации резервуарной установки
с грунтовым пароперегревателем СУГ
Среднеквадратичное расхождение теоретических и экспериментальных
результатов не превышает 1°С с доверительной вероятностью 0,95.
Численная реализация предложенных математических моделей (1)-(22)
несколько занижает расчетные значения искомых температур сжиженного
газа, что объясняется влиянием погрешности квазистационарной постановки
задачи теплообмена. Указанное обстоятельство обеспечивает дополнительные резервы перегрева паров на входе в газорегуляторную установку и, тем
самым, повышает надежность результатов расчета.
В пятой главе диссертации приводится экономико-математическая модель оптимизации тепловой защиты теплотеряющих элементов резервуарной
установки, обеспечивающей подачу в редуцирующий узел перегретых паров
СУГ при минимальных затратах в монтаж теплоизолированных элементов.
В качестве целевой функции задачи используются капитальные вложения в сооружение теплоизолированных элементов паропровода СУГ по комплексу: восходящий участок грунтового теплообменника – шкафной ГРП:
K  K ву ( ву ,т / из )  K шгрп ( шгрп,т / из )  min ,
(23)
где K - капитальные вложения в сооружение теплоизолированных элементов
паропровода СУГ, руб; K ву - капитальные вложения в тепловую изоляцию
14
восходящего участка грунтового теплообменника (включая его подземную и
надземную части), руб.; K шгрп - капитальные вложения в тепловую изоляцию
шкафного ГРП, руб;  ву ,т / из ; шгрп,т / из - толщина тепловой изоляции восходящего
участка грунтового теплообменника и шкафного ГРП, м.
Управляющие параметры целевой функции (23) не являются независимыми переменными, а связаны между собой ограничением следующего вида:
t п,ву  f ( ву ,т / из ) ;
(24)
t п,шгрп  f ( шгрп,т / из ) ;
(25)
t п,ву  t п,шгрп  t пкон
(26)
.пп  t п ,
где t п,ву ; t п,шгрп - перепад температур паровой фазы СУГ на восходящем
участке грунтового теплообменника и в шкафном ГРП, °С; t пкон
, пп - конечная
температура паровой фазы на выходе из пароперегревательного участка
грунтового теплообменника, °С; t п - температура насыщенного пара на выходе из расходного резервуара, °С.
Целевая функция (23) и ограничения (24)-(26) формируют экономикоматематическую модель задачи. Для нахождения минимума целевой функции используется метод вариантных расчетов.
В качестве обобщенных рекомендаций для проектной практики рекомендуется оптимальная толщина тепловой изоляции из пенополиуретана на
восходящем участке грунтового теплообменника δву,т/из = 70 мм; шкафа
редуцирующего узла δшгрп,т/из = 92 мм.
Как показывают расчеты, выбор оптимальной толщины тепловой изоляции дифференцированно для каждого теплотеряющего элемента по сравнению с тепловой изоляцией постоянной толщины обеспечивает снижение
капитальных вложений в монтаж тепловой изоляции на 220 руб. (11,6%).
Выполнен анализ энергоэкономической эффективности применения
предлагаемого способа предупреждения кристаллизации влаги в регуляторах
давления резервуарных установок с использованием трубчатых грунтовых
теплообменников по сравнению с существующим способом, предусматривающим электрический обогрев редуцирующих головок резервуаров.
В качестве целевых функций использовались интегральные, дисконтированные затраты по сравниваемым вариантам технических решений.
Анализ результатов проведенных расчетов показывает, что предлагаемый вариант обеспечивает снижение интегральных затрат в размере 20,6 тыс.
руб. (62,9%) на одну резервуарную установку при снижении капитальных
вложений в объеме 3922 руб. (29,1%). При этом обеспечивается годовая
экономия электроэнергии в размере 504 кВт∙ч или 2,016 тыс. руб. в год
в денежном выражении.
ВЫВОДЫ
1. Проведен анализ существующих методов предупреждения кристаллизации влаги в резервуарных установках сжиженного газа, на основе которого
15
разработана и запатентована технологическая схема перегрева паров в
трубчатых грунтовых теплообменниках и сформулированы задачи по ее
научному обоснованию.
2. Разработаны математические модели теплообмена в подземных резервуарных установках сжиженного газа в условиях теплового взаимодействия
паровой подушки с окружающим грунтовым массивом и атмосферным воздухом. Численная реализация моделей показывает, что расчетная температура сжиженного газа в резервуаре существенно изменяется в зависимости от
объема резервуара, способа его установки в грунте и климатических условий
эксплуатации. Наиболее неблагоприятные условия эксплуатации подземных
резервуарных установок реализуются при использовании вертикальных резервуаров в режиме хранения СУГ. При этом выходящие из резервуара пары
имеют повышенную температуру и интенсивно конденсируются в трубопроводной обвязке регуляторов давления. Последующее дросселирование
парожидкостной смеси вызывает кристаллизацию растворенной влаги и
образование ледяных или гидратных пробок.
3. Разработана математическая модель теплообмена в трубчатых грунтовых пароперегревателях СУГ в условиях теплового воздействия расходного
резервуара. Численная реализация модели в рамках технологического комплекса: расходный резервуар - грунтовый пароперегреватель - шкафной газорегуляторный пункт позволила обосновать тепловые режимы эксплуатации
элементов технологической схемы и температурные условия работы газорегулирующей установки.
4. В целях проверки достоверности предложенных математических моделей теплообмена в подземных резервуарных установках сжиженного газа,
оборудованных трубчатыми грунтовыми пароперегревателями СУГ, были
проведены экспериментальные исследования.
Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных значений
температурных параметров резервуарной установки показывает их хорошую
сходимость. Максимальное расхождение результатов не превышает 1 °С
(с доверительной вероятностью 0,95), что подтверждает корректность соответствующих теоретических положений.
5. Разработана экономико-математическая модель оптимизации тепловой защиты восходящего участка грунтового теплообменника и шкафного
газорегуляторного пункта, обеспечивающая подачу в узел редуцирования перегретых паров СУГ при минимальных затратах при монтаже теплоизолированных элементов. Как показывают конкретные расчеты, выбор оптимальной
толщины тепловой изоляции дифференцированно для каждого теплотеряющего элемента по сравнению с тепловой изоляцией постоянной толщины
снижает капитальные вложения при монтаже тепловой изоляции на 220 руб.
(11,6%).
6. Выполнен анализ энергоэкономической эффективности предлагаемого способа предупреждения кристаллизации влаги в регуляторах давления
16
резервуарных установок с использованием трубчатых грунтовых теплообменников по сравнению с существующим способом, предусматривающим
электрический обогрев редуцирующих головок резервуаров.
Как показывают расчеты, применение схемы перегрева паров в трубчатых грунтовых теплообменниках снижает интегральные дисконтированные
затраты в резервуарные установки в размере 20671 руб. (62,9%) при снижении капитальных вложений в объеме 3922 руб. (29,1%). При этом обеспечивается ежегодная экономия электроэнергии в количестве 504 кВт∙ч на одну
резервуарную установку.
Основные положения диссертации отражены в следующих работах:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Максимов С.А. Исследование теплообмена при хранении и регазификации сжиженного углеводородного газа в подземных резервуарных установках / Б.Н. Курицын, Н.Н. Осипова, А.П. Усачев, С.А. Максимов // Вестник
гражданских инженеров. - 2011. -№3 (28). - С. 82-87.
2. Максимов С.А. Объективный выбор толщины тепловой изоляции
участков трубопроводной обвязки узла редуцирования газа / Б.Н. Курицын,
Н.Н. Осипова, С.А. Максимов // Вестник МГСУ. - 2011.-№7.-С. 525-530.
3. Максимов С.А. Моделирование теплообмена при хранении сжиженного газа в подземных резервуарных установках под воздействием естественных температур грунта и наружного воздуха / Б.Н. Курицын, Н.Н. Осипова, С.А. Максимов // Научный вестник Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2012. -№2 (26). - С. 35-45.
4. Максимов С.А. Разработка и обоснование технических решений по
предупреждению гидратообразования в системах резервуарного снабжения
сжиженным газом / Б.Н. Курицын, Н.Н. Осипова, С.А. Максимов // Приволжский научный журнал. - 2013.-№1.-С. 73-79.
5. Максимов С.А. Особенности эксплуатации регуляторов давления резервуарных установок сжиженного углеводородного газа / Б.Н. Курицын,
Н.Н. Осипова, С.А. Максимов //Вестник Волгоградского государственного
архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2013.-№30(49).-С. 216-222.
Статьи в других изданиях:
6. Максимов С.А. Температурные режимы эксплуатации и надежность
систем резервуарного снабжения сжиженным газом / Б.Н. Курицын, Н.Н.
Осипова, С.А. Максимов // Экология и безопасность жизнедеятельности: сб.
ст. IX Междунар. науч.-практ. конф. / МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА,
2009. - С. 128-132.
7. Максимов С.А. Температурные режимы хранения сжиженного углеводородного газа в подземных резервуарных установках / Б.Н. Курицын,
Н.Н. Осипова, С.А. Максимов // Проблемы энергосбережения и экологии в
17
промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: сб. тр. XI Междунар.
науч.-практ. конф. / Пензенский гос. ун-т архитектуры и строительства. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. - С. 166-190.
8. Максимов С.А. Предупреждение гидратообразования в резервуарных
установках с естественной регазификацией сжиженного газа / С.А. Максимов
// Научная дискуссия: инновации в современном мире: материалы IX Междунар. заоч. науч.-практ. конф. – М.: Изд-во «Международный центр науки и
образования», 2013. - С. 177-180.
9. Максимов С.А. Математическое моделирование температурных режимов эксплуатации подземных резервуаров сжиженного газа с вертикальным размещением в грунте / Б.Н. Курицын, Н.Н. Осипова, С.А. Максимов //
Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. – Саратов: Изд-во
СГТУ, 2010. - С. 163-167.
10. Максимов С.А. Разработка системы снабжения сжиженным углеводородным газом от резервуарных установок с перегревом пара в грунтовом
теплообменнике / Б.Н. Курицын, Н.Н. Осипова, С.А. Максимов // Теплогазоснабжение: состояние, проблемы, перспективы: материалы Всерос. науч.практ. конф./ Оренбург. гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2011. - С. 87-89.
МАКСИМОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ РЕЗЕРВУАРНЫХ СИСТЕМ
СНАБЖЕНИЯ СЖИЖЕННЫМ ГАЗОМ С ПЕРЕГРЕВОМ ПАРОВ
В ТРУБЧАТЫХ ГРУНТОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ
АВТОРЕФЕРАТ
Подписано в печать 12.03.2014
Формат 60х84 1/16
Бум. офсет.
Усл. печ. л. 1,0
Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Заказ 2
ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»
410031, Саратов, Волжская ул., 28
Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо»
410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90
18
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
844 Кб
Теги
моделирование, 182, обоснование, резервуарных, система, максимова
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа