книги из ГПНТБ / Рачевский, Б. С. Транспорт и хранение углеводородных сжиженных газов

Потребная холодопроизводителыюсть QT установки поддержания режима хранения определяется потерями холода в окружающую среду через ограждающие конструкции резервуара (дно, стенки перекрытия) и слой теплоизоляции

где к — общий коэффициент теплопередачи от хранимого сжижен­ ного газа к окружающей среде; At — перепад температур между сжиженным газом и окружающей средой

Здесь а ! — коэффициент теплоотдачи от сжиженного газа к стен­ кам резервуара; бх и б2 — соответственно толщина стенок резерву­ ара и тепловой изоляции; X х и Я 2 — соответственно коэффициенты теплопроводности материалов стенок резервуара и тепловой изоля­ ции; а 2 — коэффициент теплоотдачи от стенок резервуара к окружа­ ющей среде.

Потребная холодопроизводительность установки захолаживания сжиженного газа определяется количеством тепла, отбираемого от сжиженного газа при заполнении низкотемпературного резервуара, и полностью зависит от интенсивности заполнения хранилища про­ дуктом

Ai — перепад энтальпий продукта между его начальным состоянием и после дросселирования до параметров хранения.

Общая холодопроизводительность холодильного оборудования, установленного на хранилище, определяется суммированием мощно­

Холодильно-технологические комплексы хранения с технологи­ ческим охлаждением сжиженного газа работают по холодильному циклу компрессионного типа и имеют, как правило, двухступенчатое сжатие, двухступенчатое охлаждение и буферные напорные резер­ вуары. Типичная технологическая схема такого комплекса, предста­ вленная на рис. 85, в режимах заполнения и хранения сжиженного газа работает следующим образом.

Режим заполнения хранилища. Сжиженный пропан из емкостей высокого давления непосредственно из трубопровода подается в се­ паратор первой ступени дросселирования Е1. Предварительно про­ пан проходит блок осушки от влаги, состоящий из двух попеременно включаемых в работу адсорберов К1, заполненных твердым адсор­ бентом типа силикагеля. При незначительном влагосодержании

173

с12—14 кгс/см2 до давления в емкости Е1, равного 2,3—3,0 кгс/см2,

содновременным понижением температуры. В емкости Е1 поддер­ живаются постоянное давление, равное давлению на приеме второй ступени компрессора, и постоянный уровень. Регулятор уровня воз­ действует на клапан, установленный на линии подачи пропана в емко­ сти Е1, с коррекцией от датчика давления в резервуаре Е2 для низко­ температурного хранения пропана, который совмещает функции дроссельного устройства для снижения давления поступающего пропана до 2,8—3 кгс/см2. Пары пропана из емкости Е1 поступают

Рис. 85. Технологическая схема низкотемпературного хранилища сжиженных углеводородных газов

на вторую ступень компрессии, где сжимаются до давления 15— 16 кгс/см2 и поступают в конденсатор воздушного охлаждения с водя­ ным орошением X I. Вторая ступень компрессии и холодильник X I имеют соответствующие запасы по давлению и поверхности для того, чтобы после конденсатора-холодильника X I обеспечить пол­ ную конденсацию поступающего пропана, содержащего до 6—8%

дится отдув этана и этилена за счет некоторого понижения давления в ЕЗ; предусмотрена также возможность подачи азота в ЕЗ для улуч­

174

в сепаратор обеспечивает более четкое и более полное отделение

этана и этилена от пропана перед закачкой его в резервуар для хранения.

Жидкий пропан из сепаратора ЕЗ поступает под собственным давлением в Е1 через дроссельное устройство, при этом давление его понижается до 3 кгс/сма. Функцию дроссельного устройства выполняет регулирующий клапан, установленный на трубопроводе подачи пропана из ЕЗ и Е1 и связанный с регулятором уровня в ЕЗ. Образовавшиеся при дросселировании пары пропана поступают на прием второй ступени компрессии — цикл работы холодильного блока повторяется.

Жидкий пропан из емкости Е1 под собственным давлением посту­ пает в резервуар Е2 через дроссельный вентиль. При этом давление

его понижается до атмосферного, а температура пропана снижается до -4 2 ° С.

Подача пропана в резервуар для низкотемпературного хранения Е2 из емкости Е1 зарегулирована с уровнемером в Е1. От регулятора уровня в емкости Е1 предусмотрена одновременная подача импуль­ сов на два регулирующих клапана: установленного на трубопроводе подачи пропана в Е1 и на трубопроводе подачи пропана из Е1 в Е2. При повышении уровня в Е1 регулирующий клапан линии подачи пропана в Е1 прикрывается, а клапан на трубопроводе подачи про­ пана из Е1 в Е2 открывается пропорционально на одну и ту же вели­ чину, так как количество поступающего в Е1 пропана и количество пропана, сбрасываемого из Е1 в Е2 при нормальном режиме, прак­ тически одинаково.

Пары пропана из емкости Е2 забираются на первую ступень ком­ прессии, сжимаются до 3—3,5 кгс/см2 и подаются в емкость Е1 под уровень жидкого охлажденного пропана для снятия теплоты перегрева после компрессии.

Из емкости Е1 пары пропана поступают на вторую ступень ком­ прессии — цикл работы повторяется.

Режим хранения. В резервуаре Е2 пропан хранится при темпера­ туре —42° С и давлении, близком к атмосферному. Работа холо­ дильного цикла на режиме хранения полностью автоматизиро­ вана. Компрессора включаются при повышении давления паров пропана в резервуаре Е2 до верхнего заданного предела вследствие теплопритока извне. При повышении давления до верхнего предела включаются компрессоры первой ступени, пары пропана сжимаются до 3—3,5 кгс/см2 и подаются в емкость Е1 под слой жидкого охлаж­ денного пропана для снятия теплоты перегрева I ступени сжатия. При повышении давления в емкости Е1 до заданного верхнего пре­ дела (3,5 кгс/см2) включается в работу I I ступень компрессии. Пары пропана из Е1 поступают в цилиндры высокого давления (II сту­ пень компрессии), сжимаются до 16—17 кгс/см2 и подаются в конден­ сатор воздушного охлаждения с водяным орошением. После конден­

175

с соответствующим понижением температуры. Из емкости Е1 сжи­ женный пропан под собственным давлением подается в резервуар Е2 с понижением давления, близкого к атмосферному, и температуры до —42° С. Подача жидкого пропана из емкости Е1 в резервуар Е2

зарегулирована по уровню в Е1.

Пары пропана из резервуара Е2 поступают на прием компрессо­ ров I ступени — цикл работы повторяется. Работа холодильного блока продолжается до тех пор, пока давление в ^резервуаре достиг­ нет нижнего заданного предела. Холодильный блок на режиме хранения работает с перерывами, причем рабочее время холодиль­ ного блока составляет примерно 6—8 ч в сутки. Откачка сжиженного пропана из резервуара осуществляется насосами Н1 и Н2 через подо­ греватель. Количество пара, подаваемого в подогреватель, регули­

необходимый для обеспечения процесса залива и для поддержания низкотемпературного режима хранения, вырабатывается одной и той же холодильной установкой. Реализация этого решения воз­ можна только тогда, когда величины холодопроизводительностей, потребные в процессе залива и для поддержания низкотемператур­ ного режима, сопоставимы между собой. Обычно количество холода, идущее для захолаживания продукта при заполнении резервуаров, значительно превосходит количество холода, необходимое для под­ держания режима низкотемпературного хранения, что заставляет в данных технологических схемах хранилищ идти на низкие темпы залива продукта. Это ограничивает возможности использования таких холодильно-технологических комплексов.

Применение в данных комплексах компрессоров обычной кон­ струкции со смазкой минеральными маслами недопустимо из-за отложения на поверхностях клапанов, поршневых колец и т. д. (на всех поверхностях контакта пропана со смазочным маслом) тяжелых углеводородов (смол, асфальтенов), что приводит к наруше­ нию работы компрессоров и выходу из строя [24]. Должны приме­ няться компрессоры без жидкой смазки пары поршень — цилиндр, т. е. компрессоры с так называемой сухой смазкой. На всех без исключения низкотемпературных хранилищах, построенных за ру­ бежом, применяются компрессоры со смазкой, осуществляемой порш­ невыми кольцами из антифрикционной композиции графита и ди­ сульфида молибдена. Работа технологической схемы низкотемпера­ турного хранилища, изображенной на рис. 85, требует дополнитель­ ных энергозатрат на подогрев сжиженного пропана при его от­

грузке.

Указанные недостатки технологических схем низкотемператур­ ных хранилищ устранены в холодильно-технологических комплексах, разработанных во ВНИИПромгаз. Настоящие комплексы включают новые виды оборудования и предусматривают регенерацию холода при сливо-наливных операциях, охлаждение заливаемого сжижен­ ного газа турбохолодильной машины ТХВМ и поддержание низко­

176

температурного режима хранения холодильной установкой с роторно­ пластинчатыми жидкостными компрессорами РПЖК.

Охлаждение сжиженного газа в регенераторах турбохолодильной машины ТХВМ производится воздухом, который охлаждается, расширяясь в детандере до давления ниже атмосферного.

Компрессор типа РПЖК отличается от обычных ротационных пластинчатых компрессоров тем, что сжимаемый газ в нем охлаж­ дается циркулирующей через компрессор рабочей жидкостью, коли­ чество которой определяется режимом работы компрессора [24].

Технологическая схема низкотемпературного хранилища с хо­ лодильным комплексом, включающим машину ТХВМ и компрессоры РПЖК, относится к схемам с внешним охлаждением сжиженного газа.

Режим заполнения резервуара по данной технологической схеме с внешним охлаждением газа сводится к охлаждению сжиженного газа в регенерационных колоннах и теплообменниках турбохолодильной машины ТХВМ и подаче его в низкотемпературный резер­ вуар без образования паров. Паровая фаза, образующаяся от теплопритока извне, отбирается установкой поддержания режима, сжи­ мается, конденсируется и поступает в резервуар.

Конструкции низкотемпературных резервуаров

Наземные низкотемпературные резервуары сооружаются различ­ ной геометрической формы (цилиндрические, сферические) и обычно с двойными стенками, пространство между которыми заполнено теплоизолирующим материалом. Наибольшее распространение полу­ чили вертикальные цилиндрические резервуары объемом от 10 до 50 тыс. м3, выполненные из металла или железобетона (в США эксплуатируется резервуар подобного типа) объемом 75 тыс. м3, выполненный из металла). На рис. 86 представлен внешний вид низкотемпературных резервуаров со сферическим перекрытием и

и стойкость теплоизоляционного слоя.

Сферические резервуары обычно сооружаются с одиночной стен­ кой. Одностенные резервуары покрываются теплоизоляцией с внеш­ ней стороны. Эти резервуары допускают возможность хранить сжи­ женный газ и под некоторым давлением, когда обеспечение слишком низкой температуры нерентабельно. Пропан, бутан и другие подоб­ ные газы хранятся в них при температуре 0, —5° С при соответству­ ющем давлении. Максимальный объем таких резервуаров до 2000 м3.

В последние годы стала применяться более прогрессивная кон­ струкция стальных цилиндрических резервуаров — с одинарной стальной стенкой, покрытой снаружи теплоизоляцией. Перекрытие резервуара купольное, днище — плоское. Нижний пояс корпуса

Падение ударной вязкости при понижении температуры настолько велико, что стали этой группы при низких температурах становятся весьма хрупкими и это ограничивает их применение в конструк­ циях, работающих при охлаждении.

Спонижением температуры до —200° С временное сопротивление

ипредел текучести возрастают в 1,5—2 раза, а ударная вязкость падает в десятки раз.

Временное сопротивление и предел текучести углеродистых ста­ лей до —80° С возрастают слабо, а при более низких температурах нарастают сравнительно быстро. Относительное удлинение углеро­ дистых сталей начинает резко падать примерно при температуре —140° С, а малолегированных с —180° С.

Наибольшее снижение ударной вязкости наблюдается у углеро­ дистых сталей в интервале температур от 0 до —80° С, а в специаль­ ных малолегированных ниже —70° С.

Вл и я н и е с о с т а в а . Отдельные элементы, входящие в со­ став стали, оказывают различное влияние на механические свойства при низких температурах.

Увеличение содержания углерода способствует возрастанию вре­ менного сопротивления и предела текучести, но сказывается неблаго­ приятно на ударной вязкости, делая металл хрупким при низких температурах. Неблагоприятно также влияние фосфора.

Такие элементы, как никель, хром, ванадий, молибден, повы­

шают ударную вязкость сталей при низких температурах. Особенно благоприятное влияние оказывает никель.

В л и я н и е т е р м о о б р а б о т к и и в е л и ч и н ы з е р - н а. Сталь одной и той же марки имеет различные характеристики в зависимости от рода термообработки, предшествовавшей испы­

Нормализация и отжиг также улучшают ударную вязкость при пони­ женных температурах, но в меньшей мере, чем закалка.

Следует отметить, что мелкозернистая сталь при нормальных и низких температурах имеет ударную вязкость выше, чем крупно­ зернистая.

Получению мелкозернистой структуры и сохранению ударной вязкости с понижением температуры способствует хорошее раскисле­ ние стали алюминием, ванадием, цирконием.

Продолжительность охлаждения, а также многократное охлаж­ дение не оказывают какого-либо влияния на ударную вязкость.

Изменение механических свойств легированных сталей аустенитного класса

при понижении температуры

К этой группе сталей относятся: аустенитные никелевые стали, содержащие более 13% Ni, аустенитные хромоникелевые, содержа­ щие 8—24% никеля и 18—25% хрома; хромоникелевые стали;

180

аустенитные хромомарганцевистые и др. Эти стали при низких температурах в наибольшей степени сохраняют свою высокую вяз­ кость, которой они обладают при нормальной температуре. Вместо с тем они подчиняются общей закономерности, т. е. с понижением температуры у них повышаются временное сопротивление, пределы упругости и текучести, твердость и уменьшаются относительное удлинение, сужение и ударная вязкость.

Пределы упругости и текучести нержавеющей хромоникелевой стали возрастают равномерно, временное же сопротивление более резко возрастает в интервале температур от +15 до —80° С и изме­ няется слабее при более низких температурах.

Падение ударной вязкости с понижением температуры у легиро­ ванных сталей аустенитового класса обычно происходит неравно­ мерно и в значительно меньшей степени, чем у углеродистых сталей. Несмотря на некоторое снижение, ударная вязкость сталей аустенит­ ного класса при —250° С остается довольно высокой, и поэтому такие стали вполне пригодны для работы вплоть до гелиевых температур. Следует отметить, что у нержавеющих сталей коэффициент теплопро­ водности значительно ниже, чем у обычной стали.

Необходимо иметь в виду, что сталь, предназначенная для работы при низких температурах, должна содержать углерода меньше пре­ дельной растворимости карбида в аустените.

Наиболее высокое сопротивление разрыву и наименьшее удлине­ ние наблюдаются у той стали, микроструктура которой после охла­ ждения характеризуется увеличенным количеством мартенсита.

Изменение механических свойств цветных металлов и сплавов при низких температурах

Почти все механические показатели цветных металлов и сплавов

спонижением температуры возрастают. Особенно важно, что наряду

свозрастанием временного сопротивления, твердости, предела упру­

гости и т. п. такие свойства цветных металлов, как пластичность и ударная вязкость, понижаются очень слабо, а у некоторых метал­ лов (например, меди и алюминия) даже возрастают.

Ударная вязкость меди и алюминия возрастает при понижении температуры, и при —200° С она в 1,2—1,5 раза больше, чем при комнатной температуре.

Ударная вязкость медных и алюминиевых сплавов почти не изме­ няется или равномерно понижается.

Относительное удлинение латуни, бронзы и дюралюминия с пони­ жением температуры изменяется очень мало, а сужение не изме­ няется. Ударная вязкость никеля и свинца повышается с пониже­ нием температуры, никелевых сплавов — понижается в незначи­ тельной степени.

181.

Влияние низких температур на механические свойства сварных

и паяных соединений

Изменения механических свойств качественного сварного шва аналогичны изменениям свойств основного металла.

Сварные швы углеродистых сталей утрачивают пластичность и становятся хрупкими при низких температурах; швы легированных сталей аустенитного класса остаются достаточно вязкими. Пластич­ ные показатели сварных швов цветных металлов с понижением тем­ пературы ухудшаются незначительно, а в некоторых случаях (медь, латунь) даже улучшаются.

Рис. 87. Зависимость коэффициентов а линейной тем­

пературной деформации металлов от температуры:

1 — магний; 2 — алюминий; 3 — медь; 4 — никель; 5 — сталь малоуглеродистая; 6 — цинк; 7 — сталь нерж авею щ ая

Ударная вязкость швов углеродистой стали резко падает с пони­ жением температуры, составляя при температуре —50° С примерно 0,1—0,5 (кгс-м)/см2, а, кроме того, шов обычно является местом концентрации напряжений; поэтому рекомендуется при сварке угле­ родистых сталей применять в качестве наплавленного металла леги­ рованные стали аустенитного класса, менее чувствительные к пони­ жению температуры.

Термообработка сварных изделий для уничтожения внутренних напряжений заметно улучшает работоспособность конструкции при пониженных температурах.

В металлоконструкциях из малоуглеродистых сталей Ст.2 и Ст.З швы лучше всего наплавлять ацетилено-кислородной сваркой, так как швы в этом случае механические, свойства сварного соеди­ нения и наплавленного металла не претерпевают почти никаких изменений по сравнению со свойствами основного металла.

Сварку цветных металлов можно применять широко. Большое число соединений этих металлов производится также пайкой. Сое­ динения жесткие, не требующие частой разборки, паяют твердыми

182