Учебники 80257

Защита состоится «15» мая 2014 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, д.84, корпус 3, ауд. 3220; тел./факс:

(473)271-53-21.

Сдиссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Текст диссертации размещен на официальном сайте Воронежского ГАСУ, автореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ http://edu.vgasu.vrn.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Природный газ является для России не просто эффективным энергоресурсом, но и важным средством решения многих экономических и социальных проблем. Сдерживающим фактором для поставок природного газа в некоторые районы страны являются транспортные проблемы. Поэтому вполне обоснованной является необходимость создания системы альтернативного трубопроводам варианта транспортировки газа в сжиженном виде, хотя практическая реализация этого проекта требует значительных капиталовложений.

Сжиженный природный газ (СПГ) является экологически чистым и безопасным, что позволяет широко использовать его в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Если по вопросам распределения и использования сетевого природного газа в российской научной литературе имеется ряд исследований, статей и монографий, то по рынку СПГ крупных аналитических работ немного. Между тем в последние 10-15 лет этот рынок развивается высокими темпами, и в настоящее время СПГ выступает достаточно заметным элементом мировой торговли природным газом, и, по имеющимся прогнозам, среднегодовой темп прироста мирового спроса на СПГ к 2030 году может возрасти в несколько раз.

В этой связи, разработка научных основ расчета и проектирования автономных систем газоснабжения на базе сжиженного природного газа представляет собой актуальную научно-техническую задачу, реализация которой требует обобщенной постановки и глубокого анализа с учетом многообразия системообразующих факторов и специфических особенностей современных систем газораспределения и газопотребления.

Целью работы является обоснование новых методик для расчета основных параметров процесса транспортировки сжиженного природного газа и использование их для разработки технических решений, обеспечивающих эффективное функционирование системы газоснабжения на базе СПГ.

Задачи исследований. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

-анализ существующих способов транспортирования газового топлива и разработка нового способа оптимального функционирования систем газоснабжения;

-разработка методики и блок-схемы определения оптимального местоположения источника по производству сжиженного природного газа на плане газоснабжаемой территории;

-разработка и обоснование нового варианта конструкции автомобильной цистерны для транспортировки сжиженного природного газа с целью

3

повышения энергоэффективности системы автономного газоснабжения на базе СПГ;

-разработка методики расчета основных параметров природного газа в цикле транспортировки СПГ;

-обоснование целесообразности применения новых технических решений в области автономного газоснабжения потребителей, удаленных от магистрального транспорта сетевого природного газа.

Научная новизна:

∙ Разработаны математическая модель и программный комплекс определения оптимального местоположения завода по производству сжиженного природного газа вблизи существующего газопровода сетевого природного газа, позволяющие учесть такие существенные факторы, как: местоположение потребителей газа, потребность в газовом топливе и расположение существующего магистрального газопровода.

∙ Предложена математическая модель, описывающая взаимодействие природного газа в газообразном и сжиженном состояниях с хладоносителем на участках заправки цистерны и выгрузки СПГ потребителям.

∙ Предложен оригинальный способ транспортировки сжиженного природного газа потребителям, основными отличиями которого являются устройство теплообменного оборудования на заводе по производству СПГ и у потребителя, а также использование новой конструкции транспортной цистерны.

∙ Предложено конструктивное решение автомобильной цистерны для транспортировки сжиженного природного газа; принципиальная новизна данного решения, отраженная в полученном патенте, заключается в наличии дополнительной оболочки, создающей дополнительную полость в цистерне.

∙ Разработаны численный алгоритм и его компьютерная реализация для технико-экономической оценки основных параметров разработанной схемы автономного газоснабжения потребителей, удаленных от газопроводов сетевого природного газа на базе альтернативного энергоносителя - сжиженного природного газа.

Достоверность результатов основана на использовании фундаментальных положений теории и практики газоснабжения, современных методов математического и экономико-математического моделирования, а также результатов экспериментальных работ; использовании исходных данных, полученных из достоверных источников; корректности математической постановки решаемых задач, адекватно описывающих исследуемые процессы и объекты. Достоверность обеспечивается также широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях различного уровня.

Научная и практическая значимость работы. Разработанные ма-

тематические модели определения основных технологических параметров

4

сжиженного природного газа в предложенной схеме газоснабжения потребителей обеспечивают научно обоснованные предпосылки к оптимальному функционированию и развитию автономных систем газоснабжения потребителей на базе сжиженного природного газа. Достоинства данных моделей заключаются в более детальном и точном описании температурных режимов перевозимых в цистерне сжиженного природного газа и хладоносителя на каждом этапе транспортировки.

По материалам исследований разработано программное обеспечение, на которое получено свидетельство на программу для ЭВМ № 2013610839 «Определение оптимального местоположения завода по сжижению природного газа».

Предложен оригинальный энергоэффективный способ транспортировки сжиженного природного газа различным категориям потребителей.

Разработана усовершенствованная конструкция криогенной цистерны, используемая в разработанной схеме автономного газоснабжения, защищенная свидетельством на полезную модель №115309 «Цистерна для транспортировки сжиженного природного газа».

Результаты научных исследований внедрены в ОАО «Гипрониигаз» и рекомендованы научно-техническим советом для использования в проектной практике института (Приказ № 318 от 06.09.2012 года). По материалам диссертационных исследований разработан СТО-03321549-020-2012 «Технико-экономическое обоснование параметров систем газоснабжения».- Саратов: ОАО «Гипрониигаз», 2012. 18 с.

Материалы исследований используются в лекционных курсах, читаемых на кафедре ТГВ СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Основные выводы и предложения, содержащиеся в диссертационной работе, позволяют широко использовать их на практике при разработке и реализации проектов снабжения потребителей на базе перспективного топлива – сжиженного природного газа. Научно-практическое значение работы состоит в том, что представленные результаты могут быть использованы при проектировании автономных систем газоснабжения, а также в учебном процессе российских вузов.

На защиту выносятся следующие результаты:

1)Схема газоснабжения потребителей, удаленных от опорных пунктов газоэнергоснабжения на базе СПГ, отличающаяся наличием дополнительного теплообменного оборудования на участках подготовки природного газа к сжижению и на участке выгрузки СПГ потребителю, а также использованием усовершенствованной конструкции транспортной цистерны.

2)Математическая модель нахождения оптимального местоположения завода по производству СПГ, учитывающая ряд таких существенных факторов как координаты потребителей, объемы потребления, местоположение существующего магистрального газопровода.

5

3)Предложенное конструктивное решение цистерны для транспортировки СПГ потребителям, состоящее в добавлении в конструкцию дополнительной оболочки, которая создает полость для транспортировки хладоносителя.

4)Математические модели определения основных параметров сжиженного природного газа на участках заправки и выгрузки СПГ, в предложенной схеме автономного газоснабжения потребителей.

5)Методика технико-экономической оценки основных параметров разработанной схемы автономного газоснабжения потребителей на базе СПГ.

Личный вклад автора. Автору принадлежат: разработка математических моделей оптимального местоположения завода по производству СПГ, разработка новых технических решений в схеме транспортирования сжиженного природного газа, проведение численного эксперимента, анализ полученных данных, получение расчетных зависимостей.

Апробация работы. Основные положения докладывались на научных семинарах кафедры ТГВ СГТУ, филиала кафедры в ОАО «Гипрониигаз», а также на Международных научно-практических конференциях, в том числе: «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2009), Международном научно-практическом симпозиуме «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (Саратов, 2010), Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2011), 14-й Международной научно-практической конференции «Экология. Человек. Общество» (Киев, 2011), 24-й и 25-й Международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологиях», аккредитованных по программе У.М.Н.И.К. (Пенза, 2011, Саратов, 2012).

Публикации. Результаты диссертации изложены в 24 опубликованных работах объемом 112 страниц, из них 53 страницы принадлежат лично автору. 6 работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ: «Вестник Саратовского государственного технического университета», «Научный вестник Воронежского ГАСУ», «Вестник ВолгГАСУ», «Вестник МГСУ», Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело».

Встатьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертационного исследования: в работах [1, 2] представлены результаты сравнительного анализа использования различных систем газоснабжения потребителей. В работах [1, 3] представлена математическая модель определения оптимального местоположения завода по производству СПГ, в работе [4] представлена усовершенствованная схема газоснабжения потребителей на базе СПГ, в работе [5] представлена новая конструкция цистерны для транспортировки СПГ, в работе [6] представлена математическая модель определения основных парамет-

6

ров природного газа и хладоносителя в схеме газоснабжения потребителей СПГ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит: 115 страниц текста, 30 рисунков, 32 таблицы, список литературы включает 139 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель диссертационной работы и основные задачи исследования. Приведены основные положения, которые составляют научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе производится анализ современного состояния газораспределительной отрасли Российской Федерации, показывающий, что наиболее приоритетным направлением развития регионов, не газифицированных сетевым природным газом, на ближайшую перспективу является широкая автономная газификация на базе сжиженного природного газа. Одним из основных факторов конкурентоспособности СПГ является удаление потребителей газа от источника газоснабжения, и чем удаленнее находится потребитель, тем эффективнее вариант газоснабжения сжиженным природным газом.

Во второй главе приводятся результаты технико-экономической оптимизации схемных решений систем газоснабжения потребителей на базе сжиженного природного газа.

Был проведен анализ существующих способов производства и транспортировки природного газа, выявлены присущие каждому способу преимущества и недостатки. Задачей автора было усовершенствование отдельных частей системы газоснабжения. Суть идеи заключается в возвращении холода, полученного при регазификации СПГ, обратно на завод по получению СПГ и использовании его для предварительного охлаждения природного газа в цикле сжижения. Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является: сокращение объемов затрат, связанных с традиционной (трубопроводной) газификацией потребителей; простота технологии; обеспечение экономии дорогостоящего холода.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на рисунке 1а) представлен способ транспортировки СПГ от установки по сжижению до потребителя, а на рисунке 1б) - способ транспортировки СПГ от потребителя до установки по сжижению.

7

а) Схема участка заполнения цистерны. СПГ из хранилища 1 и хладоноситель Тв из хранилища 4 подаются в полости цистерны 2. Хладоноситель Тк подается на охлаждение природного газа в установленный теплообменник 7, а затем в хранилище 4

б) Схема участка опорожнения цистерны у потребителя. СПГ и хладоноситель Тв подаются в установленный теплообменник 5, где СПГ регазифицируется. Хладоноситель охлаждается и подается в предусмотренное хранилище 6, а затем в сосуд цистерны 2

Рисунок 1. Схема доставки сжиженного газа потребителям

Система газоснабжения на базе СПГ содержит: установку сжижения 3, хранилище СПГ на заводе и у потребителя 1, хранилище хладоносителя на заводе 4, хранилище хладоносителя у потребителя 6, транспортные средства доставки газа потребителям 2, средства газификации у потребителей топлива 5. Транспортировку СПГ осуществляют в криогенной цистерне 2. Схема функционирует следующим образом: на участке а) наружная полость цистерны 2 заполняется хладоносителем при температуре наружного воздуха, а внутренний сосуд цистерны заполняется СПГ. После доставки цистерны на участок б) хладоноситель и СПГ подаются в теплообменник 5, где СПГ регазифицируется, отводя тепло от хладоносителя, после чего хладоноситель подается во внутренний сосуд пустой цистерны 2 и транспортируется на участок а). На участке а) низкотемпературный хладоноситель из внутреннего сосуда цистерны подается в тепло-

8

обменник 7, где охлаждает поступающий на сжижение природный газ, после чего цикл повторяется.

При разработке системы снабжения потребителей сжиженным природным газом немаловажной является задача определения оптимальной посадки завода по сжижению газа. Расчетная схема задачи представлена на рисунке 2. В качестве целевой функции задачи примем суммарный расход топлива транспортировщиками, тогда оптимальному решению задачи соответствует условие:

где xi , yi - координаты газифицируемых объектов, расположенных на территории области (административного района); x; y - координаты завода по производству СПГ; Q − расход топлива в сутки одним транспортировщи-

населенного пункта на маршруте; K1 0,01 (1 0,01 D) .

Рисунок 2. Схема газоснабжения на базе СПГ

Данная задача успешно реализуется с помощью ЭВМ.

Наиболее эффективным средством доставки газа в сжиженном виде является использование контейнеров-цистерн, которые позволяют сократить потери продукта, при этом упрощается процесс транспортировки и сокращается время перевозки. Для решения задачи по улучшению эксплу-

9

атационных возможностей криоцистерны предлагается следующая модернизация конструкции: в цистерне, содержащей основную оболочку, внутри размещается сосуд для перевозки СПГ, между основной оболочкой и сосудом устанавливается дополнительная оболочка, а пространство между основной и дополнительной оболочками используют для перевозки хладоносителей (рисунок 3).

Рисунок 3. Модель криогенной цистерны

Преимущества разработанной модели криогенной цистерны: цистерна осуществляет прием, хранение, выдачу и транспортировку сжиженного природного газа различными видами транспорта и обеспечивает полную сохранность продукции, минимальные потери при испарении при многократном использовании в различных погодных условиях.

В третьей главе диссертации излагаются научные положения по разработке теоретических основ расчета основных эксплуатационных параметров модернизированной схемы доставки СПГ потребителям.

Одной из важных задач для реализации предлагаемого способа производства и транспортировки природного газа является подбор хладоносителя. Из проведенного анализа для дальнейшего применения приняты изопентан и диметиловый эфир. Были определены основные параметры хладоносителя и природного газа в цикле производства СПГ, предложена математическая модель определения удельного объема газа и конечного давления (давление инверсии), развиваемого компрессором в зависимости от начальной температуры магистрального природного газа.

Для определения давления инверсии использовалось уравнение состояния реального газа, с высокой степенью точности описываемое уравнением Редлиха-Квонга:

После проведения соответствующих преобразований было получено уравнение для определения удельного объема газа в виде:

10