Методическое пособие 321

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

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-исследователь- ской 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

вдросселирующих 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 матема-

тические 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.

Вцелях широкого использования результатов диссертационной работы

вгазораспределительной 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».

Встатьях, 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 сжи-

5

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

и4 приложений. Общий объем работы 183 страницы, включая 15 таблиц

и24 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.

Впервой 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.

Вто 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

идавление СУГ) замерзает, или образует гидраты.

Достаточно простое и надежное решение задачи предупреждения кристаллизации влаги в дросселирующих органах регуляторов давления обеспе-

6

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

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→∞

иr→∞

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:

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.

Врезультате получим систему из n линейных уравнений с n+1 неиз-

вестными Qi; tж.

Замыкающее уравнение согласно (5) имеет следующий вид:

i 1

где G - расход паровой фазы СУГ.

В том числе при отсутствии отбора паров:

i 1

Аналогично при отсутствии теплопотерь через надземную часть горловины и фланец распределительной головки резервуара:

i 1

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.

Втретьей 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.).

Вкачестве 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