Методическое пособие 786

где Ин. э — эксплуатационные издержки в период нормальной эксплуатации; Кt — капитальные затраты для t-го года; Иt — приращение ежегодных эксплуатационных издержек для t-го года (ΔИt = Иt − Иt−1); Ен. э — нормативный коэффициент приведения к одинаковому эффекту разновременных затрат; Т — длительность расчетного периода и год приведения затрат; t — год капитальных вложений с начала строительства.

Зависимость (3) является простейшим обобщением статического критерия (2) при условии постепенного развития энергетической системы и соответствует условному дискретному процессу сооружения и эксплуатации системы теплоснабжения в виде постепенного ввода очередей с дополнительными приведенными затратами. В работе [19] рассматривается еще один динамический критерий сравнительной экономической эффективности, при котором капитальные вложения и издержки строительства эквивалентны:

где Вt — коэффициент дисконтирования или обесценивания затрат за год t: Вt = (1 + Ен. э)−t; Тk — период строительства и эксплуатации системы, который включает период строительства и временной эксплуатации Тв и нормальной эксплуатации Тн.

Для более удобного практического применения интегрального критерия (4) в работе [19] вводятся допущения, при которых t > Тв, издержки постоянны (Иt = ИТв), Тt для централизованных систем теплоснабжения может достигать 40…50 и Ен. э = 0,08…0,1. В данном случае Вt →0, а Тk можно считать равным ∞, тогда формулу (4) можно записать в виде

Капиталовложения при проектировании и строительстве инженерных систем могут быть определены несколькими способами [12]:

по сметам, составляемым исходя из объема строительно-монтажных работ (требует проведения большого количества вычислительных работ и наличия проектной документации);

по укрупненным сметным нормам (не требует наличия проектной документации, однако необходимо провести предварительные расчеты диаметров трубопроводов, длины участков и определить способ прокладки);

по данным аналогичных или типовых проектов по сводным сметам удельных капиталовложений на 1 МВт тепловой энергии (необходимо учитывать условия сопоставимости с рассматриваемым вариантом);

по удельным капиталовложениям на укрупненные энергетические показатели (применяются для ориентировочного экономического сравнения).

Рассмотренные выше критерии помогают выбрать наиболее экономичные решения из большого числа проектных вариантов путем приведения к минимуму функции приведенных затрат. Они получили наибольшее распространение при решении задач оптимизации в строительной отрасли [4, 5, 11, 13, 20]. Однако не всегда можно достаточно точно и быстро найти капиталовложения в строительство рассматриваемой системы, кроме того, как указывалось ранее, поиск оптимального решения только по критерию минимума приведенных затрат может привести к получению некорректного решения.

2. Материальная характеристика тепловой сети. При предварительном выборе оп-

тимальной конфигурации тепловой сети (когда отсутствует проектная документация) в рабо-

31

Научный журнал строительства и архитектуры

тах [12, 14—16] предлагается применять материальную характеристику тепловой сети М, которая определяется по формуле

где Dвн — внутренний диаметр трубопровода на участке тепловой сети; l — длина участка тепловой сети; n — количество участков тепловой сети.

С помощью величины М можно также определить капитальные вложения на строительство тепловой сети, тогда критерий оптимальности примет вид

где а и b — постоянные коэффициенты, зависящие от типа и конструкции тепловой сети. Для предварительных расчетов характерен случай, при котором отсутствуют данные о

диаметрах трубопроводов тепловой сети, тогда определение капитальных затрат возможно проводить по методике, приведенной в работе [15]. Согласно этой методике, материальная характеристика каждого участка тепловой сети может быть представлена в виде произведения расчетного расхода теплоносителя на данном участке G на удельную материальную характеристику Му, отнесенную к единице расчетного расхода теплоносителя, а материальная характеристика тепловой сети в целом определяется по формуле

где n — количество участков системы теплоснабжения; Му — удельная материальная характеристика участка сети, определяемая по формуле

где qп — расчетный расход теплоносителя на одного абонента; qв — плотность расхода теплоносителя данного района теплоснабжения (определяется как соотношение расчетного расхода теплоносителя данного участка на площадь данного района теплоснабжения); m — коэффициент, обозначающий при привидении формы района к прямоугольной соотношение меньшей стороны района теплоснабжения к большей; Rл — удельное линейное падение давления главной магистрали.

Суммарная длина трубопроводов всей системы теплоснабжения также может быть определена с помощью удельных показателей по формуле

где lуд — удельная длина участка сети, отнесенная к единице расчетного расхода теплоносителя на данном участке:

Таким образом, критерий (7) для определения минимальных капитальных затрат на строительство тепловой сети примет вид

32

3. Показатели надежности проектного решения тепловой сети. Надежность системы теплоснабжения наряду с капитальными и эксплуатационными издержками является одним из основных показателей задачи технико-экономической оптимизации проектных решений, и может оказывать непосредственное влияние как на первые, так и на вторые затраты [7, 8]. Например, при теплоснабжении потребителей первой категории надежности (перинатальных центров, больниц, химических производств и т. д.) необходима установка местных резервных источников теплоты, также допускается резервирование от других тепловых сетей при условии полной обеспеченности потребителя тепловой энергией. Таким образом, выбор того или иного способа резервирования (т. е. повышения надежности) влияет на капитальные и эксплуатационные издержки проектного решения.

Надежность можно характеризовать такими свойствами, как долговечность, безотказность, сохраняемость и ремонтопригодность [1, 2, 15]. Под долговечностью понимают свойство системы сохранять работоспособность до предельного состояния, когда ее дальнейшее применение нецелесообразно или недопустимо. Безотказность — это свойство системы, позволяющее сохранять рабочее состояние тепловой сети в течение нормированного срока эксплуатации. Ремонтопригодность заключается в возможности системы теплоснабжения обнаруживать, устранять и предупреждать отказы и неисправности элементов. Ремонтопригодность характеризуется временем восстановления вышедшего из строя элемента, что имеет большое значение при обосновании необходимости резервирования. Сохраняемость — это свойство системы, позволяющее сохранять свою долговечность, безотказность и ремонтопригодность в течение всего срока консервации [15, 17].

Поиск оптимальной величины надежности системы теплоснабжения можно привести к выбору предельно возможного уровня некоторой величины, дальнейшее увеличение которой экономически не выгодно. При этом конкретный уровень надежности может быть достигнут несколькими способами: 1) повышением качества составных элементов системы; 2) резервированием элементов. При реализации первого способа необходимы обширные экспериментальные исследования и достоверные статистические данные, что не всегда осуществимо. Второй способ, называемый в работе [2] способом повышения надежности за счет улучшения структуры сети, применяется в случае, когда надежность системы должна быть выше надежности ее отдельных элементов. При данном способе осуществляется переход от полной неопределенности исходной информации, характерной для первого способа, к области вероятностной логики и синтезу надежных систем из ненадежных элементов с применением аппарата теорий надежности и вероятности [2]. Для тепловых сетей резервирование может осуществляться за счет дублирования, кольцевания и секционирования.

Надежность тепловой сети принято оценивать показателем надежности, который должен быть не ниже установленного уровня. Чем он выше, тем надежнее система. Таким образом, критерий оптимизации примет вид [1, 2, 17]

где Q0 — расчетный расход теплоты; Qj — недоподача теплоты; Q (t) — математическое ожидание характеристики качества функционирования системы; t — время; ωi — параметр потока отказов, определяемый по формуле

33

Научный журнал строительства и архитектуры

Для оценки наиболее ответственных отдельных узлов тепловой сети критерий надежности может быть найден по формуле

Данные критерии оценивают качественную характеристику системы. При необходимости перехода к количественной оценке надежности систем теплоснабжения приходится сталкиваться с большим количеством случайных факторов, совокупность которых оценивают с помощью теорий вероятности, математической статистики и случайных процессов. Согласно работе [2] связь между показателями надежности и эффективности может определяться по уравнению

где σ[Ф (х (t), Т)] — характеристика эффективности системы за время ее использования Т с учетом затрат на восстановление при отказе; Ф (х (t), Т) — количественная характеристика надежности системы; f (К) — характеристика начальных капитальных вложений.

Поскольку состояние системы в произвольный момент времени зависит от нескольких параметров, то значение функции целесообразно определять на каждом участке отдельно, кроме того, получаемое выражение

i 1

тождественно выражению приведенных затрат, которые связаны с характеристикой надежности системы. В результате приведенные затраты с учетом вероятностного характера дополнительных издержек можно записать в виде [2]

i 1

где Нi (t) — функция восстановления; Ио. д — ожидаемые дополнительные издержки при отказе; С — затраты на устранение отказа; И — эксплуатационные издержки (не связанные с характеристиками надежности); Е — коэффициент приведения капитальных затрат.

4. Строительно-технологические критерии оптимальности проектного решения систем теплоснабжения. Под строительной технологичностью понимают совокупность технических свойств и конструктивных решений строительства, которая характеризует их соответствие требованиям техники и технологии строительства и эксплуатации. Анализ строительной технологичности проектного решения систем теплоснабжения можно осуществить по следующим показателям [1]:

показатель трудоемкости:

где θkj — трудовые затраты на единицу строительных работ; vkj — объем работ; k — типоразмеры (i = 1, 2,…, n); j — виды конструкций (j = 1, 2,…, m);

показатель машиноемкости:

где Мkj — машиноемкость на единицу строительных работ.

34

Каждый из перечисленных показателей можно использовать как функцию поиска оптимального решения при их приведении к минимуму. Однако, как правило, в качестве критерия оптимальности для оценки строительной технологичности проектных решений систем теплоснабжения [1] принимают минимум трудозатрат, связанных с выполнением строительных работ (θстр → min). При этом для минимизации данной функции вводят граничные условия, при которых vkj ≥ 0, Тстр < Т (Т = const — директивный срок строительства; Тстр — затрачиваемое время на строительство объекта).

Зачастую большое значение приобретает показатель затрачиваемого времени на строительсво или реконструкцию тепловой сети. Подобная ситуация может возникнуть при проведении работ в отопительный период года или в случае проведения работ, затрагивающих нормативное функционирование других инфраструктурных объектов (автомагистралей, железных дорог, систем водоснабжения и водоотведения и т. д.). В подобных случаях определяющим критерием оптимальности будет являться время строительства [1]:

где Nkj — состав исполнителей.

Упомянутые в разделах 1—4 критерии получили наибольшее распространение при решении задач оптимизации систем теплоснабжения при проектировании и строительстве как наиболее весомые. Однако в каждом конкретном случае за критерий оптимальности могут быть приняты и другие показатели, например оптимальный перепад давления, минимальные тепловые потери, оптимальная температура теплоносителя и т. д., в данной работе они не рассматриваются по причине неявного влияния на результаты рассматриваемой задачи.

5. Условия сравнения проектных решений. Сравнение проектных решений воз-

можно лишь в случае их экономического и энергетического подобия, которое возможно при выполнении некоторых условий [12, 19].

В первую очередь сравниваемые решения должны анализироваться при оптимальных параметрах и нормативных условиях функционирования каждого элемента системы. Также они должны показывать равный энергетический эффект, то есть обеспечивать потребителей равным количеством энергии (как по мощности потребления, так и его режимам), если имеются какие-либо различия (различные коэффициенты полезного действия, тепловые потери и т. д.), они должны учитываться. Если решения предусматривают наличие объектов, вырабатывающих несколько видов какой-либо продукции или совместное сооружение объектов, должен учитываться эффект от всех объектов и видов продукции. При наличии значительного количества затрат в смежные отрасли они также должны учитываться.

Кроме того, затраты необходимо привести к одному и тому же году, то есть должна выполняться равная сопоставимость по времени затрат и получению эффекта. Должен обеспечиваться равный уровень цен, точность расчетов и равная достоверность исходных данных.

Только при выполнении перечисленных условий возможно дальнейшее рассмотрение проблемы оптимизации систем теплоснабжения, однако они являются необходимыми, но не достаточными. В каждой конкретной задаче данные условия необходимо дополнять.

Выводы. Применение рассмотренных в работе критериев экономической эффективности (определяемых через статические и динамические приведенные затраты), строительной технологичности, времени производства работ и надежности системы позволяет учесть основные аспекты проектирования, строительства и эксплуатации систем теплоснабжения городов и населенных пунктов, что приводит к получению достаточно точных результатов решения оптимизационных задач.

Рассмотренный способ определения критерия приведенных затрат с помощью материальных характеристик тепловых сетей облегчает сравнение различных вариантов сети

35

Научный журнал строительства и архитектуры

на начальной стадии проектирования, когда отсутствует проектная документация. Данная характеристика также может являться одним из критериев оптимальности. Качественный критерий надежности приводится в виде количественной характеристики, позволяющей определить приведенные затраты с учетом вероятностного характера дополнительных издержек.

Библиографический список

1. Авдолимов, Е. М. Реконструкция водяных тепловых сетей / Е. М. Авдолимов. — М.: Стройиздат, 1990. — 304 с.

2. Виноградов, Ю. И. Промышленное теплоснабжение / Ю. И. Виноградов, Л. М. Векштейн, И. Д. Соболь. — К.: Техника, 1975. — 256 с.

3.Кобелев, В. Н. Выбор оптимальной структуры тепловых сетей: дис. … канд. техн. наук / В. Н. Кобелев. — Курск, 2011. — 129 с.

4.Ловягин, В. Ф. Иерархическая система процесса проектирования оптимальных трасс инженерных сооружений / В. Ф. Ловягин, В. К. Панкрушин // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. — 2001. — № 6. — С. 45—51.

5. Мелькумов, В. Н. Выбор математической модели трасс тепловых сетей / В. Н. Мелькумов, И. С. Кузнецов, В. Н. Кобелев // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. — № 2. — С. 31—36.

6. Мелькумов, В. Н. Задача поиска оптимальной структуры тепловых сетей / В. Н. Мелькумов, И. С. Кузнецов, В. Н. Кобелев // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительствои архитектура. — 2011. —

№2. — С. 37—42.

7.Мелькумов, В. Н. Использование кластерного анализа для повышения надежности инженерных сетей / В. Н. Мелькумов, Г. А. Кузнецова, А. Н. Кобелев // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2012. — Т. 8, № 11. — С. 141—145.

8. Мелькумов, В. Н. Мониторинг надежности тепловых сетей / В. Н. Мелькумов, C. Н. Кузнецов, К. А. Скляров, А. А. Горских / Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. —

№1. — С. 52—58.

9.Мелькумов, В. Н. Основные результаты научной деятельности кафедры теплогазоснабжения и кафедры пожарной и промышленной безопасности ВГАСУ / В. Н. Мелькумов, С. А. Колодяжный // Промышленное и гражданское строительство. — 2010. — № 9. — С. 11—12.

10.Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей / Под общ. ред. В. Я. Хасилева и А. П. Меренкова. — М.: Энергия, 1978. — 176 с.

11.Петрикеева, Н. А. Задача технико-экономической оптимизации при определении толщины теплоизоляционного слоя теплосетей / Н. А. Петрикеева, А. В. Черемисин, А. В. Копытин // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2016. — № 1. — С. 21—28.

12.Пешехонов, Н. И. Проектирование теплоснабжения / Н. И. Пешехонов. — Киев: Высш. шк., 1982. —

328 с.

13.Сачивка, В. Д. Модели и методы выбора оптимального способа прокладки подземных инженерных коммуникаций в условиях городской застройки / В. Д. Сачивка // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2011. — № 12. — С. 359—360.

14.Сеннова, Е. В. Математические моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем / Е. В. Сеннова, В. Г. Сидлер. — Новосибирск: Наука, 1987. — 219 с.

15.Соколов, Е. Я. Теплофикация и тепловые сети / Е. Я. Соколов. — М.: МЭИ, 2001. — 472 с.

16.Сотникова, О. А. Разработка методологических основ комплексного анализа и многоцелевой оптимизации систем теплоснабжения: дис. … д-ра техн. наук / О. А. Сотникова. — Воронеж, 2000. — 464 с.

17.Теплоснабжение / Под ред. А. А. Ионина. — M.: Стройиздат, 1982. — 336 с.

18. Хрилев, Л. С. Оптимизация систем теплофикации и централизованного теплоснабжения / Л. С. Хрилева, И. А. Смирнов. — М.: Энергия, 1978. — 264 с.

19.Юфа, А. И. Комплексная оптимизация теплоснабжения / А. И. Юфа, Д. Р. Носулько. — К.: Техника, 1988. — 135 с.

20.Яковлев, Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б. В. Яковлев. — М.: Новости теплоснабжения, 2008. — 448 с.

36

CRITERIA OF OPTIMALITY AND CONDITION OF THE COMPARISON OF DESIGN SOLUTIONS OF SYSTEMS OF HEAT SUPPLY

V. N. Mel'kumov1, K. A. Sklyarov2, S. G. Tul'skaya3, A. A. Chuikina4

Voronezh State Technical University1, 2, 3, 4

Russia, Voronezh

1D. Sc. in Engineering, Prof., Head of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business, tel.: (473)271-53-21, e-mail: teplosnab_kaf@vgasu.vrn.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof., Dean of the Dept. of Construction Technology, tel.: (473)271-59-26, e-mail: stf@vgasu.vrn.ru

3PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Heat Supply and Oil and Gas Business, tel.: (473)271-53-21, e-mail: teplosnab_kaf@vgasu.vrn.ru

4PhD student of the Dept. of Heat Supply and Oil and Gas Business, tel.: (473)271-53-21,

e-mail: teplosnab_kaf@vgasu.vrn.ru

Statement of the problem. The design of optimal heating systems of cities and settlements is a complex task involving many engineering calculations often performed repeatedly. This fact leads to the necessity of the development of automated systems for calculation and design. The accuracy of the solution of optimization problems for the design and construction of these systems depends on the correct choice of optimalitycriteria and their weight values.

Results and conclusions. The optimality criteria and their definitions typical of the solution of optimization problems of the construction industry are considered. The criteria of construction technology of a system, the production time of work, reliability and economic efficiency through static and dynamic reduced costs are identified. The method of determining the criterion of reduced costs by using material characteristics of thermal networks, which facilitates the comparison of various options at the initial design stage, is described. The qualitative criterion of reliability is provided in the form of quantitative characteristics, allowing one to determine these costs given the probabilistic nature of the additional costs.

Keywords: heat supply, criteria of optimality, designing of pipelines, comparison conditions.

Российский фонд фундаментальных исследований объявляет о проведении конкурса проектов 2018 года организации российских и международных молодежных научных мероприятий.

Заявки принимаются до: 15.08.2018 23:59 Код конкурса: «мол_г»

На конкурс может быть представлен проект организации российского или международного молодежного научного мероприятия или отдельной секции российского или международного молодежного мероприятия, проводимого на территории Российской Федерации, по следующим научным направлениям: математика, механика; химия и науки о материалах; фундаментальные основы инженерных наук и др.

До подачи проекта на конкурс в сети Интернет должна быть размещена информация о мероприятии: сведения о программном и организационном комитетах, о научной программе, сроках проведения, размере организационного взноса. На момент подачи заявки должна быть сформирована предварительная научная программа мероприятия. К заявке должны быть приложены тезисы пленарных докладов. По тезисам и научной программе эксперты Фонда будут оценивать масштаб, научный уровень и актуальность заявляемого мероприятия.

Не менее 70 процентов докладчиков, выступающих с устными или пленарными докладами на мероприятии, должны быть молодыми учеными (без ученой степени; с ученой степенью кандидата наук или PhD, возраст которых не превышает 35 лет на дату начала проведения мероприятия; с ученой степенью доктора наук, возраст которых не превышает 39 лет на датуначала проведения мероприятия).

Подробнее: http://www.rfbr.ru/rffi/ru/rffi/ru/contest/n_812/o_2052209.

37

Научный журнал строительства и архитектуры

УДК 621.64

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕНА ПАРОВОЙ ФАЗЫ СМЕСИ ПРОПАН-БУТАНА С ГРУНТОМ В ПОДЗЕМНОМ ГАЗГОЛЬДЕРЕ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ РЕГАЗИФИКАЦИИ СУГ

В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

Н. Н. Осипова1, И. М. Бычкова2

Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина 1, 2 Россия, г. Саратов

1Д-р техн. наук, зав. кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции, водообеспечения и прикладной гидрогазодинамики, тел.: (8452)99-88-93, e-mail: osnat75@mail.ru

2Аспирант кафедры теплогазоснабжения, вентиляции, водообеспечения и прикладной гидрогазодинамики

Постановка задачи. Газоснабжение индивидуальных жилых зданий с потреблением газового топлива до 3 кг/ч в большинстве случаев организуется на базе индивидуальных газгольдеров с подземной установкой в грунте и естественной регазификацией сжиженного углеводородного газа. Значительным недостатком систем с естественной регазификацией является то, что при редуцировании влажных паров смеси пропан-бутана в регуляторах давления образуются ледяные и гидратные пробки, нарушающие газоснабжение объекта. Для разработки рекомендаций по предотвращению этого явления авторами проведены теоретические исследования теплообмена паровой фазы смеси пропан-бутана над зеркалом испарения в подземном газгольдере сжиженного углеводородного газа.

Результаты. Установлен режим течения паровой фазы смеси пропан-бутана от зеркала испарения к горловине подземного газгольдера, позволяющий скорректировать значения коэффициентов конвективного теплообмена и теплопередачи, рекомендуемых другими авторами, для объективной оценки теплообменных процессов в подземном газгольдере сжиженного углеводородного газа.

Выводы. Результаты проведенных исследований показали, что процесс редуцирования паровой фазы может осуществляться без образования гидратов и ледяных пробок в регуляторах давления при условии сохранения температуры паровой фазы смеси пропан-бутана от горловины газгольдера до узла редуцирования.

Ключевые слова: подземный газгольдер, сжиженный углеводородный газ, автономная система газоснабжения, коэффициент конвективного теплообмена, коэффициент теплопередачи, паровая фаза смеси пропан-бутана.

Введение. Автономные системы газоснабжения на сжиженном углеводородном газе (СУГ) в настоящее время являются перспективным направлением развития энергообеспечения объектов коммунально-бытового назначения. Главным преимуществом таких систем является возможность их устройства в любом климатическом районе независимо от рельефа местности, свойств грунтов и режимов потребления газового топлива [13, 15, 20, 21]. Конструктивно системы автономного газоснабжения могут быть выполнены по вариантам: системы с искусственной регазификацией сжиженного углеводородного газа и системы с естественной регазификацией сжиженного углеводородного газа.

Необходимо отметить, что системы с искусственной регазификацией СУГ рекомендуется применять при энергопотреблении объектов более 50 МВтч/год [2, 3]. Данные системы являются более дорогостоящими за счет наличия испарительной установки в составе схемы газоснабжения и особенностей ее устройства на газоснабжаемой территории (отдельные помещения для размещения испарительной установки, противопожарные разрывы от зданий и сооружений, дополнительная трубопроводная обвязка для безопасной регазификации СУГ).

© Осипова Н. Н., Бычкова И. М., 2017

38

При незначительном энергопотреблении объектов (индивидуальные жилые дома, коттеджи) до 50 МВтч/год рекомендуется применять системы с естественной регазификацией сжиженного углеводородного газа [5, 19, 26]. Генерация паровой фазы СУГ в этом случае осуществляется за счет теплопритока из грунтового массива.

Всоответствии с ГОСТ Р 52087-2003 «Газы сжиженные углеводородные топливные» для коммунально-бытового потребления наиболее распространенной поставляемой маркой является пропан-бутан технический с компонентным составом по бутану не более 60 %.

Наиболее уязвимыми системы автономного газоснабжения с естественной регазификацией становятся в холодный период года, когда температура наружного воздуха и соответст-

венно грунта на оси заложения газгольдера значительно ниже температуры регазификации бутановой фракции (около минус 0,5 0С) [14, 23, 27, 28]. В этом случае при редуцировании паровой фазы, содержащей газообразную смесь пропана и бутана, в регуляторах давления могут образовываться ледяные и гидратные пробки, что обусловливает неустойчивое газоснабжение потребителя [4, 10, 27].

Исследования процесса гидратообразования в системах газоснабжения на базе СУГ, проведенные в работах [6, 7, 9, 11, 16], показывают, что образование гидратов возможно при дросселировании насыщенной жидкости, парожидкостной смеси и насыщенных паров про- пан-бутановой смеси.

Смесь пропан-бутана поступает на дросселирование в регулятор давления с температурой, которая формируется за счет теплообменных процессов между газгольдером СУГ и окружающим грунтовым массивом. Теплообмен изотермической полости с грунтом рассмотрен в работах [18, 19, 24], которые всесторонне раскрывают процесс передачи тепла от грунтового массива к жидкой фазе газа в газгольдере СУГ. В то же время процесс передачи тепла от грунтового массива паровой фазе над зеркалом испарения изучен не достаточно полно, что вносит определенную погрешность в результаты исследований по изучению процесса естественной регазификации и последующего редуцирования паровой смеси.

Всвязи с этим для разработки практических рекомендаций по повышению надежности снабжения потребителей сжиженным углеводородным газом в части безгидратного редуцирования СУГ необходимо провести дополнительные исследования процесса теплообмена при естественной регазификации сжиженного углеводородного газа в подземных газгольдерах СУГ.

1. Теоретическое исследование процесса теплообмена. Количество тепла, подводи-

мое от грунта к паровой фазе смеси пропан-бутана:

где Fповп.ф. — площадь поверхности, омываемой паровой фазой в газгольдере, м2; k — коэффи-

циент теплопередачи, Вт/м2К; tгр — температура грунтового массива, °C; tж — температура сжиженного газа в газгольдере, °C.

В свою очередь, коэффициент теплопередачи определяется, как

где αгр — коэффициент теплоотдачи грунта поверхности гидроизоляции газгольдера, Вт/м2К [12, 19]; δги — толщина гидроизоляции газгольдера, м; λги — коэффициент теплопроводности гидроизоляции, Вт/мК; стр — толщина стенки газгольдера, м [22]; стр — коэффициент теп-

лопроводности стенки газгольдера, Вт/мК [22]; αп.ф. — коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки газгольдера паровой фазе, Вт/м2К.

39

Научный журнал строительства и архитектуры

Передача тепла от внутренней поверхности стенки паровой фазе формируется за счет конвективного и лучистого теплообмена:

где αкп.ф. — коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене, Вт/м2К; αпл.ф. — коэф-

фициент теплоотдачи при лучистом теплообмене, Вт/м2К.

Вопросы лучистого теплообмена многоатомных газов в настоящее время изучены весьма ограниченно. Достаточно удовлетворительное решение задачи получено только для некоторых газов: азота, кислорода, паров воды и углекислого газа, сернистого ангидрида [8, 25, 22]. В то же время какие-либо рекомендации для паровой фазы сжиженных углеводородных газов в известной литературе отсутствуют. Поэтому положим приближенно, с некоторым занижением коэффициента теплоотдачи

Для формирования полной картины процесса передачи тепла к паровой фазе смеси пропан-бутана необходимо провести исследование критериев подобия Рейнольдса Re, Грасгофа Gr, Прандтля Pr и Нуссельта Nu. Указанные критерии подобия учитывают режимы течения паровой смеси пропан-бутана над зеркалом испарения и влияние физических свойств смеси пропан-бутана на процесс теплообмена в газгольдере.

Наличие переменного компонентного состава паровой фазы смеси пропан-бутана в процессе эксплуатации газгольдера СУГ обусловливает переменные значения критериев подобия, определение которых необходимо осуществлять в соответствии с долевым участием рассматриваемых компонентов.

С учетом вышесказанного значения критериев определяются по выражениям:

Прандтля Pr:

Грасгофа Gr:

ли степени [14]; g — ускорение свободного падения, м/с2; β — коэффициент объемного

40