автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности подземных вертикальных резервуаров-испарителей сжиженного углеводородного газа, заключенных в полимерный футляр

На правах рукописи

005046813

Усачев Максим Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ-ИСПАРИТЕЛЕЙ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА, ЗАКЛЮЧЕННЫХ В ПОЛИМЕРНЫЙ ФУТЛЯР

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005046813

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель - доктор технических наук

Шурайц Александр Лазаревич

Официальные оппоненты: Щелоков Анатолий Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика»

Родин Артур Константинович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», профессор кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»

Ведущее предприятие: ОАО «ВНИПИгаздобыча», г. Саратов

Защита состоится «25» апреля 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « 23 » марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета , Е.А. Ларин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В общем балансе удаленных промышленных объектов значительное развитие получают предприятия по выпуску промышленной продукции, мини-цеха модульного типа по переработке сельскохозяйственной продукции, обработке и сушке древесины, производству строительных материалов и конструкций, животноводческие и зерноводче-ские фермерские хозяйства. Годовое энергопотребление указанных предприятий, как правило, не превышает 1000 МВ • ч/год.

Наиболее экономичным для удаленных потребителей с малым энергопотреблением является децентрализованное снабжение сжиженным углеводородным газом (СУГ) от подземных резервуаров, использующих для нужд регазифпкации естественное тепло окружающего фунта (ЕТОГ) и искусственные теплоносители (ИТ).

В настоящее время существенно повышены требования нормативных документов (ГОСТ Р 12.3.047-98, ПБ 12-609-03, СП 62.13330.2011) по обеспечению безопасности установок хранения и регазифпкации СУГ. Вместе с тем отсутствуют принципиальные подходы и технические решения по обеспечению комплексной защиты подземных резервуаров СУГ от коррозии, пожара и механических воздействий. Существующие подземные вертикальные резервуары-испарители (ПВРИ) характеризуются низкой энергоэффективностью использования в холодный период эксплуатации в системах газо-энергосбжения малых удаленных промышленных потребителей. Отсутствуют методы теплового расчета ПВРИ, одновременно использующих для нужд регазифпкации ИТ и ЕТОГ. Отсутствует системный подход к обеспечению эффективности и безопасности ПВРИ.

В этой связи разработка теоретических и прикладных основ повышения энергоэффективности использования ПВРИ СУГ в холодный период года при обеспечении современных требований безопасности является актуальной научно-технической задачей.

Работа выполнялась в рамках Государственной федеральной программы «Старт» по договору с Фондом содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере № 5733 Р/8284 (заявка № 08-4-Н4-0105) и предусматривает освоение и испытание опытно-промышленного образца ПВРИ, заключенного в герметичный футляр. Резервуар является источником СУГ для ресурсоэнергосберегающего испарителя согласно разработанным патентам.

Цель работы - повышение энергоэффективности ПВРИ, одновременно использующих в холодный период года для нужд регазифпкации ИТ и ЕТОГ, при обеспечении современных требований его безопасности.

Задачи исследований:

1. Технико-экономическое обоснование целесообразности применения ПВРИ СУГ в футляре с уложенным на его наружную смоченную поверхность электронагревательным кабелем (ЭНК).

2. Обоснование принципиальных подходов к разработкне технических решений по повышению безопасности и эффективности ПВРИ в холодный период времени года, когда отопительная нагрузка является максимальной.

3. Разработка математической модели теплообмена ПВРИ в футляре при одновременном использовании на нужды регазификации ИТ и ЕТОГ.

4. Получение расчетных зависимостей по определению теплового потока к резервуару в футляре от ЭНК, уложенного на его наружную поверхность.

5. Оптимизация геометрических параметров подземного вертикального резервуара-испарителя, заключенного в полимерный футляр.

6. Проведение экспериментальных исследований, уточняющих теоретические зависимости, проведение мероприятий по внедрению предлагаемой конструкции ПВРИ.

Методы исследования и достоверность результатов: системный подход при разработке конструкции предлагаемой конструкции резервуара СУГ; электротепловое моделирование процессов теплообмена между плоским ЭНК и испарительной поверхностью резервуара; натурный эксперимент; системный анализ при оптимизации геометрических параметров в системе плоский ЭНК -испарительная поверхность ПВРИ, заключенного в футляр.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием современных методов системных и экспериментальных исследований в промышленной теплоэнергетике. Адекватность моделей подтверждена результатами экспериментов на опытно-промышленном образце ПВРИ, заключенного в герметичный футляр.

Научная новизна работы:

1. Предложен алгоритм обоснования целесообразности применения вертикального резервуара в полимерном футляре с уложенным на его наружную смоченную поверхность ЭНК, позволяющий на базе системного подхода приводить все конкурирующие варианты к единой структуре, учитывающий динамику развития и иерархию его функционирования в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов.

2. Обоснованы принципы создания технических решений по повышению безопасности и энергоэффективности путем заключения вертикального резервуара с уложенным на его наружную смоченную поверхность ЭНК в подземный полимерный футляр, заполненный инертной жидкостью до уровня жидкой фазы СУГ в стальном сосуде с поддержанием значения ее температуры, обеспечивающего расчетный приток теплоты из окружающего грунта в холодный период года.

3. Разработана математическая модель теплообмена в подземном вертикальном стальном резервуаре СУГ, заключенном в полимерный футляр, заполненный инертной жидкостью до уровня жидкой фазы СУГ в стальном сосуде, при одновременном поступлении теплоты на нужды испарения от электронагревательного кабеля, уложенного на наружную смоченную поверхность стального сосуда и окружающего грунта к полимерному футляру, позволяющая на основе методов тепловых стоков и сложения температур-4

ных полей комплексно учитывать влияние конфигурации футляра, наличие собственного температурного поля фунтового массива, различие условий теплообмена на внутренних поверхностях резервуара и футляра, контактирующих с жидкой и газовой средами и обеспечивающая экономию электрической энергии на испарение за счет использования ЕТОГ.

4. Получены расчетные зависимости по решению задачи теплообмена между плоским электронагревательным кабелем, плотно уложенным одной стороной на наружную смоченную поверхность стального сосуда, а с другой стороной, покрытой тепловой изоляцией, и испарительной поверхностью ПВРИ через слой стального массива, позволяющие на основе метода электротепловой аналогии определять значения теплового потока в зависимости от изменения расстояния между соседними витками ЭНК и толщины стенки резервуара.

5. Предложен алгоритм оптимизации соотношения высоты к диаметру подземного полимерного футляра и заключенного в него вертикального резервуара-испарителя, учитывающий изменение конфигурации котлована в зависимости от типа грунта, обеспечивающий устойчивость положения футляра в зависимости от глубины его заложения и уровня стояния грунтовых вод и реализующий технологию по исключению песчаной засыпки в сезон-нопромерзающих пучннистых грунтах.

Основные положения, выносимые на защиту:

- алгоритм обоснования целесообразности применения вертикального резервуара в полимерном футляре с уложенным на его наружную смоченную поверхность ЭНК;

- принципы создания технических решений по повышению безопасности и энергоэффективности подземного вертикального резервуара в полимерном футляре;

- математическая модель теплообмена ПВРИ в полимерном футляре;

- расчетные зависимости по решению задачи теплообмена между плоским ЭНК и испарительной поверхностью ПВРИ на основе метода электротепловой аналогии;

- алгоритм оптимизации соотношения высоты к диаметру подземного полимерного футляра и заключенного в него вертикального резервуара-испарителя;

- результаты экспериментальных исследований, опытно-промышленных испытаний и внедрения предлагаемой конструкции ПВРИ.

Практическая ценность:

1. Предложенная конструкция ПВРИ СУ Г по повышению безопасности и энергоэффективности путем заключения вертикального резервуара с уложенным на его наружную поверхность ЭНК в подземный футляр защищена патентами № 1Ш 2187037 Ш, № 1Ш 18564 Ш и положительным решением на выдачу патента по заявке № 2011147259 с приоритетом от 21.11.2011 г.

2. Результаты исследований использовались при разработке: стандарта СТО 03321549-001-2008 «Рекомендации по обоснованию комплексной за-

щиты и оптимизации полимерного футляра для резервуара сжиженных углеводородных газов» / ОАО «Гипрониигаз». Саратов, 2008. 18 е.; стандарта СТО 03321549-004-2010 «Технические решения по применению комплексной защиты вертикальных резервуаров испарителей сжиженного углеводородного газа путем заключения в полимерные футляры». ОАО «Гипрониигаз». Саратов, 2010. 12 с.

3. Рекомендации и полученные патенты были реализованы в рамках Государственной федеральной программы «Старт» при разработке комплекта технической документации на ПВРИ СУГ, заключенные в подземные футляры, заполненные инертными газом и жидкостью / ООО «Наутех». Саратов, 2010. На базе предложенных изобретений разработаны технические решения, обеспечивающие заданную тепловую производительность в холодный период года при минимальном уровне заполнения резервуара СУГ.

4. Разработанные технические решения по обеспечению энергоэффективности предусматривают испарение части жидкой фазы непосредственно в подземном резервуаре за счет использования ЕТОГ, что позволяет получить 31,4% среднегодовой экономии электрической энергии на регазификацию СУГ.

5. Предложенные научно-технические решения нашли практическое применение при подготовке и чтении спецкурса «Системы хранения и регазифика-ции СУГ» для студентов 5 курса и дисциплины специализации «Эксплуатация систем газоснабжения» для магистрантов специальности ТГС СГТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на трех Международных научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках IX, X, XI Российских энергетических форумов (Уфа, 2009-2011); на двух нефтегазовых форумам в рамках XVIII, XIX выставок «Газ, нефть, технологии» (Уфа, 2010, 2011); на Международном научно-практическом симпозиуме «Разработка современных технологий и материалов для обеспечения энергосбережения, надежности и безопасности объектов архитектурно-строительного и дорожного комплекса» (Саратов, СГТУ, 2010); научно-технических советах ОАО «Гипрониигаз» (Саратов, 2010, 2011); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 2002, 2009, 2010, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 3 в журнале, рекомендованном ВАК Минобразования и науки РФ, одна монография, 2 патента.

Первая глава посвящена обоснованию принципов создания технических решений по повышению энергоэффективности и безопасности ПВРИ. В целях создания конструкции резервуара, предотвращающего воздействия пожара, коррозии и механические воздействия, был разработан системный алгоритм, реализуемый следующим образом (рис. 1):

техническая характеристика ПВРИ (1) - цель разработки (2) -» выявление, анализ и структурирование опасных внешних воздействий на ПВРИ (3) выявление целевых функций (4) выявление результатов опасных внешних воздействий и последовательности их возникновения (5) задание величин целевых функций (6) разработка модели ПВРИ (7) -> разработка новой конструкции резервуара на основе модели (8) проверка соответствия заданному уровню требований (9)

Рис. 1. Алгоритм разработки модели и конструкции резервуара, предотвращающего воздействия пожара, коррозии и механические воздействия

На основе алгоритма разработаны технические решения, согласно которым (рис. 2): вертикальный резервуар 1, заполненный жидкой фазой 2 газа до уровня НСУГ, заключен полностью, включая регулирующую 11 и запорную арматуру 12, в герметичный полимерный футляр 3 с наличием пространства, частично заполненного инертной жидкостью 4 в нижней своей части до уровня НР, а частично - инертным газом 6 в верхней своей части, с организацией контроля герметичности межстенного пространства, обеспечивающего автоматическую сигнализацию о разгерметизации как внутреннего сосуда 1, так и футляра 3 Термостойкий люк 15 футляра 3 снабжен огнезащитной крышкой 5. Очередная заправка ПВРИ газом осуществляется без съема крышки 5.

Здесь постоянный автоматический контроль возможности утечек и сигнализация осуществляются с помощью датчика 8, сигнализатора 13 и двухпозиционного прибора контроля давления 14, который настроен: по своей верхней позиции на срабатывание

при давлении в размере Рр + ЛРдОП больше расчетного Рр на величину его допустимого повышения ДРд0П за счет утечек СУГ в межстенное пространство при разгерметизации стенок внутреннего сосуда 1, регулирующей 11 и запорной арматуры 12; по своей нижней позиции на срабатывание при давлении в размере Рр - ДР£0П меньше расчетного Рр на величину его допустимого понижения ЛР"0П за счет утечек инертного газа 6 или инертной жидкости 4 из межстенного пространства в окружающую среду при разгерметизации стенок полимерного футляра 3. При повышении давления в межстенном пространстве больше его допустимого значения АРдОП осуществляются сброс утечек СУГ через клапан 16 и их рассеивание в наружном воздухе.

Рис. 2. Конструкция ПВРИ СУГ, заключенного в полимерный футляр

и- =0

Анализ режимов теплопотребления и температурных условий в окружающем резервуар грунте в течение года, изменения фракционного состава и температуры пропан-бутановой смеси СУГ перед очередной заправкой показывает, что в теплый и часть отопительного периодов года требуемый, расход теплоты к резервуару обеспечивается за счет ЕТОГ. Однако в зимний период, как правило, с середины декабря по март, когда расход теплоты на нужды отопления достигает максимальной величины, а температура грунта и, как следствие, тепловая производительность самого резервуара снижаются до минимального значения, требуемый расход теплоты на регазификацию не может быть обеспечен только за счет ЕТОГ. Для обеспечения требуемого расхода теплоты в зимний период года, согласно предлагаемому решению (рис. 2), межстенное пространство заполняется инертной жидкостью 4 с высокой теплопередающей способностью, а на вертикальную часть наружной поверхности стального вертикального сосуда до отметки НР, равной уровню заполнения жидкой фазы НСуг в стальном сосуде перед очередной заправкой, уложен плоский ЭНК 7. Наружная поверхность плоского ЭНК, соприкасающаяся с инертной жидкостью, с целью снижения теплового потока в эту сторону покрыта тепловой влагонепроницаемой изоляцией. С целью исключения потерь теплоты в грунт и экономии за счет этого электрической энергии на нужды регазификации внутри слоя инертной жидкости установлен датчик 10, поддерживающий ее температуру постоянной и всегда ниже минимальной температуры фунта.

По результатам разработок и исследований по безопасности и энергоэффективности ПВРИ подготовлен и введен в действие стандарт СТО 03321549004-2010 «Технические решения по применению комплексной защиты вертикальных резервуаров-испарителей сжиженного углеводородного газа путем заключения в полимерные футляры».

Вторая глава посвящена разработке математической модели теплообмена в ПВРИ при потреблении теплоты одновременно от ИТ и ЕТОГ, позволяющей определить расчетную паропроизводи-тельность и оценить величину экономии электрической энергии на нужды регазификации.

С учетом предложенных технических решений по повышению энергоэффективности и теплопроизводительности в ПВРИ сформулируем задачу

Рис. 3. К расчету теплообмена в ПВРИ, заключенном в футляр

--линейный сток теплоты;

- 1-й точечный сток теплоты; к-я координата на контуре смоченной поверхности ПВРИ

теплообмена следующим образом (рис. 3): в однородном полуограниченном массиве грунта теплопроводностью X, являющемся источником естественной (природной) теплоты (2е, заложен вертикальный резервуар. Вертикальный резервуар имеет с наружной стороны футляр радиусом и высотой Нр и слой инертной жидкости температурой 1„.ж и толщиной 8„.ж, расположенной между уровнем СУГ перед очередной заправкой Нсуг и отметкой заложения футляра Нр. Относительная масса жидкой фазы СУГ в резервуаре перед очередной заправкой составляет <р, а ее температура - 1Ж. На цилиндрической части наружной смоченной поверхности вертикального резервуара с толщиной стальной стенки 5 расположены с шагом 8 отдельные нагревательные кольца одинаковой тепловой интенсивности, являющиеся постоянно действующими источниками искусственно получаемой теплоты С>„.

Подведенная к резервуару суммарная теплота (}е (Нр,НСуг) + Ои (5.5) расходуется на регазификацию пропан-бутановой смеси сжиженного газа (2рег с мольным содержанием пропана в ней V}/ и компенсацию потерь теплоты в грунт С>ТГр от верхней части футляра, расположенной над эллиптической крышкой резервуара, и в наружный воздух С>т в (рис. 3) через огнезащитную крышку футляра. Тепловой поток от грунта, поступающий к смоченной поверхности футляра (показанной на рис. 3 жирной линией) для нужд регазификации, определяется для случая минимальных температур по глубине массива 1е (у) и характеризуется постоянным минимальным значением. Недостающее количество тепла для нужд регазификации СУГ поступает от плоского ЭНК и определяется из сформулированного выше теплового баланса для ПВРИ:

Орег+ Qt.it> + Qt.ii - Ое (Нр,Нсуг), (1)

Решение задачи теплообмена ПВРИ с грунтом в такой, наиболее общей постановке не представляется возможным. В связи с этим общая постановка разделена на ряд более простых задач, среди которых: на первом этапе определяются естественные теплопоступления из грунта к смоченной поверхности футляра в зависимости от глубины его заложения Нр и уровня жидкой фазы СУГ перед очередной заправкой Нсуг; на втором этапе определяются искусственные теплопоступления от плоского ЭНК, представленного как группа нагревательных колец, уложенных на цилиндрической части наружной смоченной поверхности резервуара, в зависимости от шага между ними В и толщины стенки сосуда 5; на третьем этапе определяется величина экономии электрической энергии за счет использования ЕТОГ для нужд регазификации СУГ. Величины Орег, 0т.,р и С)т в определяются по общеизвестной литературе.

На первом этапе количество теплоты, поступившее из окружающего грунта к смоченной поверхности вертикального футляра и переданное, в свою очередь, к смоченной поверхности резервуара, соприкасающейся с

жидкой фазой СУГ, определялось как сумма от действия п-го количества i-x точечных стоков теплоты Qei (рис. 3):

Qe(Hp,H„.e)=¿Q4i;i=üí. (2)

í=I

Определение тепловой энергии осуществлялось с учетом собственного температурного поля грунта te(y) на основе принципа суперпозиции температурных полей, когда сложное температурное поле в грунтовом массиве заменяется суммой двух более простых температурных полей - собственного температурного поля фунта te(y) и поля, которое возбуждает в массиве с нулевой температурой поверхности СТОК теплоты переменной интенсивности Qei-Интенсивность i-ro точечного стока теплоты, расположенного на оси симметрии и реализующего заданные граничные условия на контуре смоченной поверхности вертикального резервуара в футляре в точке Мк с координатами гк, ук (рис. 3), обусловленная воздействием элемента dy точечного стока теплоты, определяется на основе подхода, предложенного Б.Н. Курицыным:

q _4KX(te(yk)-tJ___(3)

K=1 i___1_

Поскольку температура инертной жидкости в футляре поддерживается постоянной, а сопротивление теплоотдаче от поверхности полимерного футляра к инертной жидкости на порядок меньше термического сопротивления фунта, можно принять tK = !и ж = const.

Если на контуре, соответствующем смоченной поверхности футляра и

характеризуемом к-й координатой, взять п точек, то есть ё = 1,п и записать

для них п уравнений вида (3), получим систему из п линейных уравнений с П

неизвестными, по результатам решения которой находятся интенсивности

точечных стоков теплоты Qel, Qe2, ..., Qen- Общий теплоприток к смоченной

поверхности футляра Qe (Нр,Нн ж) от действия n-го количества i-x стоков те__п

плоты, то ecTbi = l,n, определяется как сумма , согласно формуле (2).

¡=1

Расстояния Нр и Ниж от поверхности грунта в формуле (2) являются параметрами, определяющими естественный теплоприток к смоченной поверхности и его способность компенсировать расходы тепла Qper, QT.rp и Qt.b-

В целях количественной оценки теплоиритока при ограниченном количестве тепловых стоков были проведены соответствующие расчеты. В качестве объекта исследований использовался ПВРИ СУГ объемом 4,5 м3, заключенный в полимерный футляр при следующих исходных данных: R„ =0,85 м; 0,5RU =0,5 м; Нц = 1,63 м; Нл = 0,37 м; Нр = 3,1 м; Ниж =Нсуг = 2,1 м; tH-ж = -14,5 °С. В качестве исходной предпосылки к расчету во втором температурном поле (рис. 3) использовалась система из 20 точечных стоков теп-

лоты, расположенных на оси подземного резервуара с шагом Ау = 0,15 м. Расчетные точки на поверхности футляра Мк (к = 1,2,...,п) в количестве п =20 шт. были размещены равномерно по периметру исследуемого контура. В результате решения задачи на персональном компьютере были выявлены интенсивности точечных стоков теплоты Qe¡ (¡=l,2,...,n) и общая величина теплопритока к смоченной поверхности резервуара в футляре Qe (Нр,Нсуг) = 326,0 Вт.

По величинам естественного теплопритока, определенного на первом этапе исследования теплообмена в ПВРИ, и теплопритока от ЭНК, рассчитанного на втором этапе, определяется экономия электрической энергии на испарение СУГ

AQ3K=100Qe/(Qe+QH)w. (4)

Температура инертной жидкости в футляре t^, при которой обеспечивается тепловой баланс: тепловой поток, переданный от фунта к инертной жидкости через стенку футляра, численно равен тепловому потоку, переданному от инертной жидкости к СУГ через стенку резервуара, определяется

1„.ж.б = (к.р^Лртіл + %,,Fptcyr)/KrpF()) + KHiKFp . (5)

В третьей главе приводится решение задачи второго этапа по исследованию теплообмена между смоченной испарительной поверхностью стальной стенки ПВРИ и плоским ЭНК, уложенным на его наружную поверхность с определенным шагом. Решение этой задачи математическими методами вызывает значительные технические трудности. В то же время поставленная задача может быть сравнительно легко решена методом электротепловой аналогии.

Целью исследований на установке электротеплового моделирования является определение величины теплового потока Q от группы электронагревательных колец к смоченной испарительной поверхности ПВРИ, в зависимости от шага между соседними кольцами S и расстояния 5 между наружной и внутренней смоченными поверхностями стального массива цилиндрической стенки резервуара. Таким образом,

Q = f(8, S). (6)

В качестве токопроводящей среды при моделировании объемных стационарных температурных полей использовалась ванна, заполненная водным раствором электропроводящих солей.

Применительно к рассматриваемой задаче уравнение теплового потока запишем в виде

ди=*,а,-10)-Фт(8;8)-Ь2. (7)

Здесь Ф - величина фактора формы в системе «ЭНК - смоченная испарительная поверхность ПВРИ» определяется как

Здесь U - некоторая функция,

и=(1-10)/(1,-10). (9)

Система ограничения независимых параметров 5,8 выглядит следующим образом:

5 = 8 = (10)

Электрическая модель изготовлена геометрически подобной исследуемому резервуару-испарителю, причем размеру Ь2 теплообменника соответствует размер т • И2 электрической модели (гп - коэффициент подобия электрической модели), разности температур ^ - (п соответствует разность электрических потенциалов V! - У0.

Для электрического поля выражение величины тока будет иметь запись, аналогичную зависимости (7) для температурного поля, т.е.:

1 = 7(^-У0)-шФэ(5;8)112. (11)

Здесь величина фактора формы в формуле (11) численно равна величине фактора формы в формуле (7), то есть Фт = Фэ. Исследование на электрической модели сводится, в конечном счете, к определению, согласно (11), величины фактора формы:

1 (12)

Фэ(8,5) = -

С целью решения поставленной задачи и изучения теплообмена между группой электронагревательных колец и смоченной испарительной поверхностью ПВРИ, согласно указанной методике, был выполнен ряд исследований на электрической модели. Принципиальная схема установки электротеплового моделирования приводится на рис. 4. Исследования проводились в двустенной электролитической ванне, наружные боковые стенки которой 3 выполнены из отрезка полиэтиленовой трубы внутренними диаметром 275 и высотой 84,9 мм, и имитируют собой тепловую изоляцию, наложенную на плоский ЭНК с его наружной стороны. Внутренняя стенка ванны 4 имитирует собой внутреннюю поверхность резервуара, смоченную СУГ, и выполняется из отрезка медной трубы внутренними диаметром 270,3 мм и высотой 84,9 мм. Межстенное пространство заполнено электролитом 2 (водным раствором электропроводящих солей), имитирующим стальную стенку подземного вертикального резервуара. Чтобы свести к минимуму влияние электролиза, модель работала на переменном токе промышленной 12

Рис. 4. Схема установки электротеплового моделирования

частоты 50 Гц. Экспериментальная установка выполнялась с коэффициентом подобия т =5,89. В качестве нагревательного элемента используется плоский ЭНК размером 23x6,0 мм. Аналог ЭНК выполнен из медной полосы 1 размером 3,9х 1,0 мм.

В процессе выполнения исследований на электрической модели при известной электропроводности среды и размерах модели, замеренной разности потенциалов, приложенной к модели и величине полученного тока I, получен ряд значений фактора формы Фэ. Результаты исследований по определению значений фактора формы в зависимости от расположения исследуемых электродов: толщины стального массива 5 и шага между витками в свету 8, представлены на рис. 5. На основании полученных экспериментальных значений 8, Б с помощью средств вычислительной техники выявлена расчетная зависимость для определения величины фактора формы Ф (5, 8), полученная методом многоинтервальной квадратичной интерполяции:

Ф(8;8) = - 1)С / 2 + (1 - 02)О + 0(0 + 1)Е / 2 , (13)

где: С,0,Е - переменные, которым присваиваются значения функции

Х = Р(Р — 1)Р(1,1 -1)/2 + (1 - Р2)Р(1,Л) + Р(Р + 1)Р(1,1 +1)/2, (14) для каждого 1=1-1,1, 1+1 соответственно; I - номер строки таблицы или кривой графика

I = ¡пК(х-х„)/Ах) (15)

если I = 0, то I = 1; I - номер столбца или точки на кривой.

I = ¡т((у-у0)/Ду), (16)

если 1 = 0, то I = 1;

Р = (х - хо - Мх); 0) = (у - уо - 1Лу). (17)

В результате исследований по электротепловому моделированию получено расчетное выражение (7), которое с учетом (14), позволяет определять значения теплового потока (2„ от плоского ЭНК к внутренней испарительной поверхности через слой стальной стенки резервуара-испарителя в зависимости от геометрических параметров 5, Б. По известным величинам естественного 0е и искусственного (3„ притоков теплоты по формуле (4) определялась средняя величина экономии электрической энергии в течение зимнего периода эксплуатации за счет использования теплоты окружающего грунта, которая для резервуара объемом 4,5 м3 составила 31,4%.

63

4 6 8 10 12 14 16 Толщина стенки РПВ, 6, мм

Рис. 5. Зависимость значения формфактора от параметров ПВРИ А - значения, полученные на модели;

-— расчетные аппроксимирующие

кривые

Р;=5 Р:=3

Четвертая глава посвящена разработке алгоритма обоснования типа испарительного устройства (ИУ) для ПВРИ и оптимизации формы резервуара в футляре.

В целях системного подхода к задаче обоснования и получения универсального и достоверного решения разработана структурная схема, позволяющая на принципах аналогии энергетических систем приводить все конкурирующие варианты ИУ, независимо от вида используемых в них энергоносителей, к одинаковой структуре (рис. 6). В этом случае ИУ ПРВИ есть единая совокупность элементов р, объединенных одной общей целью - полное испарение жидкой фазы СУГ. Индексы в обозначениях параметров показывают (читать слева направо) номер варианта системы ¡, номер элемента р. В качестве прямой и обратной внешних связей используются расчетная цена энергоносителя С, и коэффициент полезного действия систем регазификации Т|ь Предлагаемый алгоритм обоснования ИУ включает: целевую функцию (18), балансовое уравнение (19) и расчетную схему задачи, приведенную на рис. 6. В качестве критерия оптимальности целевой функции принят минимум интегральных затрат в испарительное устройство:

Отпуск энергоносителя НЧ ІІПСІННЄІІ сети энергоснабжения

Рис. 6. Структурная схема і-го варианта ИУ, включающего следующие элементы: - испарнтельную поверхность (Рі=1);

- теплопроводящую среду (Рі=2);

- нагревательный элемент (Рі=3);

- автоматику регулирования

и безопасности (Р/=4);

- тепловую изоляцию (Р, =5); - шкаф, защитный футляр и корпус испарителя (Р<=6)

= I а,-С, .<2П,-т /Лй+£ а,[("2 К;р(1+ £ 1(1=0) -ф,м) + £ а, •

11 1>->\- 1-1

•КО-Е Ф.э(|; Кф(1+1(1=0)ф,м)] = тт; (18)

а, = (1 + Е)1; аг = (1 + Е)~ А-, 1 = О, р =Пр, I = ГГ.

Уравнение баланса энергоносителя, отпускаемого из внешней системы и используемого в 1-м варианте ИУ:

Т г

і/Ли-

(19)

Предложенный алгоритм обоснования ИУ ПРВИ реализует сопоставимость по: одинаковости границ для всех конкурирующих вариантов; учету всех затрат в системе «источник энергоносителя - система регазификации»-14

расходу топливно-энергетических ресурсов; срокам службы отдельных элементов; изменению стоимости энергоносителя во времени и позволяет учитывать динамнку развития и иерархию функционирования ИУ в условиях неопределенности экономической информации.

Обоснование ПВРИ после их предварительного отбора осуществлялось для двух основных конкурирующих вариантов: 1- ПВРИ на базе отдельно установленного электрического испарителя; 2 - ПВРИ на базе ЭНК, уложенного на наружную поверхность резервуара.

Результаты расчетов по формулам (18)-(19), приведенные на рис. 7, показывают, что при паропроизводительности: 1) Ор < С|Нгр = С2Вф, т.е., Ор < 9,4 кг/ч вариант 2 - ПВРИ на базе электронагревательного кабеля будет гарантированно эффективнее варианта I - на базе отдельно установленного электрического испарителя; 2) О,""" - С2вф < Ср < 01°'гр = С2нгр, т.е. 9,4 кг/ч < Ср < 20 кг/ч имеет место зона экономической неопределённости или зона равной экономичности вариантов 1 и 2. Из графика также видно, что при Ср = 6,2 кг/ч детерминированные затраты по предлагаемому варианту 2 (точка 2 на рис. 8) в 2,7 раза ниже затрат по варианту 1 (точка 3).

Учитывая большую надежность в эксплуатации и простоту обслуживания, применение предлагаемого варианта является более целесообразным и в зоне экономической неопределённости при паропроизводительности до 20 кг/ч, что вполне достаточно для энергоснабжения предприятий с годовым энергопотреблением до 1000 МВ-ч/год, то есть для всего диапазона энергопотребления малых удаленных потребителей.

В целях снижения материалоемкости и затрат предлагаемого варианта ПВРИ был проведен анализ, который показал, что высокая материало- и капиталоемкость резервуаров СУГ в значительной степени обусловливается формой полимерного футляра с заключенным внутри него сосудом, а также способом его установки. В развитие традиционных конструкций и способов монтажа ПВРИ разработана альтернативная технология, предусматривающая установку сосуда СУГ в полимерный футляр, позволяющая осуществлять обратную засыпку котлована ранее вынутым из него грунтом, которая

Паропрснпводительность испарителя. О, кг/ч

Рис. 7. Зоны применения конкурирующих вариантов: 1,2- конкурирующие варианты;

-в--в---верхняя (в) граница затрат;

--Н--Н- - нижняя (н) граница затрат;--

детерминированные расчетные (р) затраты; в! - паропроизводительность ИУ ПВРИ, кг/ч; 3(— интегральные затраты в ¡-й вариант, долл.

защищена патентом на изобретение ГШ 2187037 С1 от 10.08.2002 г.). Форма полимерного футляра Ф характеризуется отношением его высоты по эллиптическим днищам Н к диаметру Б, т.е. Ф = Н / Б , откуда Н = Ф Э (рис. 8).

Выбор оптимальной формы сводится к минимизации капвложений в установку полимерных футляров с заключенными внутри них сосудами:

Z=7

Z=6

£ Ki(H/D)=min.

(20)

0,5 iHt 0,5

0,5 ¡Ht 0,5

Капитальные вложения для К,, в формуле (20) при установке полимерного футляра (рис. 8) с вертикальным сосудом, расположенного подземно в котловане, включают стоимость К) полимерного футляра Ъ =1, стоимость Кг расположенного внутри него сосуда Z =2, стоимость К3 отчуждаемой территории Ъ —Ъ, капитальные вложения К4 в устройство фундаментов Ъ -4, капитальные вложения К5 в разработку котлована Ъ =5, капитальные вложения Кб и К7 в устройство наружного ограждения Ъ =6 и отсыпки Z =7 над поверхностью материкового грунта вокруг футляров. В таблице приведены аналитические зависимости для определения капитальных вложений К, по всем элементам применительно к групповой установке из двух полимерных футляров с заключенными внутри них сосудами СУГ.

Рис. 8. Расчетная схема определения

оптимальной формы защитного футляра применительно к групповой

установке из двух подземных резервуаров СУГ (фронтальный вид и план)

Номер элемента затрат Расчетная формула для определения капвложений Номер формулы

Z=1 К, = 2-к„.ф • р„.ф • к ■ 02(Ф+0,69) (РпФ0 х/2а„л) (21)

Z=2 К2 = 2-к„ • рм • я • [D- 2(8 + Sp)]2 - (Ф +0,69) [Р„ (D- 2(5 + Sp))/2op+ S„) (22)

Z=3 К21=кет, ■ 2(d+3) ■ (d+2) (23)

Z =4 К4 =2кф {1,1- Vp+{rc[D- 2(8 + Sp)]2 (Ф+0.69) 5} p0-pMn[I>- 2(5 + +Sp)]2№+0,69HPp[D- 2(8+ Sp)]/20p +SK)-Mr0J,-MKp-Mrp- р„.ф ■ n D2(0+0,69) (Pn у /2<7п л) }/Рб (24)

Z =5 I<5 = (KKHK/2)[(D+l)(2D+2)+(2-i-HK+d+l)(2iHií+2-D+2)] (25)

Z =6 Кб = 2 Korp (3D + 5) (26)

Z =7 K7=(KOTCHOIC/6)[(2iHK+2D+3)(2iHK+D+2)+(2iHK+2D+3-2iHOTC) (2iHK+D+2-2iHOTC)+(4iHK+4D+6-2iHOTC) • (4iHK+2D+4-2iHOTC)] (27)

Реализация целевой функции (20)-(27) позволила выявить оптимальные значения конфигурации Ф для групповой установки из двух полимерных футляров с заключенными внутри них сосудами СУГ. Результаты расчетов

по (20)-(27) показывают, что минимальные капвложения в сооружение групповой установки из двух полимерных футляров с заключенными в них резервуарами СУГ достигаются при оптимальной конфигурации футляров, равной: Фв„р,= 1,65 при объеме сосуда Ур = 2,3 м3; Фвор1 = 1,55 при объеме сосуда Ур = 4,5 м3. Расчеты, проведенные по формулам для одиночного полимерного футляра с заключенным внутри него сосудом СУГ, показывают, что минимальные капвложения достигаются при оптимальной конфигурации футляра, равной: ФВ0Р1= 1,6 при объеме сосуда Ур = 2,3 м3; Ф°(1р| = 1,52 при объеме сосуда Ур = 4,5 м\

Как показывает сравнительный анализ, применение вертикальных сосудов СУГ, установленных в полимерный футляр оптимальной конфигурации (патент Я и 2187037С1), снижает сметную стоимость строительства в резер-вуарные установки в 1,3... 1,4 раза. При этом отпадают потребность в песчаной засыпке и необходимость вывоза грунта в отвал, учитывая, что объем грунта, занимаемый футляром 1, полностью расходуется на сооружение насыпи 7 (рис. 9). По результатам обоснования типа испарительного устройства для ПВРИ и оптимизации формы резервуара в футляре подготовлен и введен в действие стандарт СТО 03321549-001-2010.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанный комплекс новых технических решений по повышению энергоэффективности и безопасности путем заключения вертикального резервуара с уложенным на его наружную поверхность электронагревательным кабелем в подземный футляр, заполненный инертной жидкостью, защищен патентами № 1Ш 2187037 Ш, № 1Ш 18564 Ш и заявкой на патент: № 2011147259 с приоритетом от 21.11.2011 г., апробирован и реализован в рамках Государственной федеральной программы «Старт».

2. Обоснование типа испарительного устройства согласно разработанному алгоритму показывает, что предлагаемый вариант на базе электронагревательного кабеля, уложенного на наружную поверхность резервуара, будет в 2,7 раза экономичнее варианта на базе отдельно установленного электрического испарителя при паропроизводительности, равной и менее 9,4 кг/ч.

3. На основе математической модели теплообмена ПВРИ в футляре разработана методика теплового расчета при одновременном подводе теплоты на нужды регазификации СУГ от электронагревательного кабеля и от окружающего фунта. Средняя величина экономии электрической энергии в течение зимнего периода эксплуатации за счет использования теплоты окружающего грунта для резервуара объемом 4,5 м3 составляет 31,4%.

4. Результаты оптимизационных расчетов согласно предложенным экономико-математическим зависимостям показывают, что минимальные капвложения в сооружение полимерных футляров, с заключенными в них ПВРИ СУГ достигаются при оптимальном соотношении их высоты к диаметру (формы) футляров, равной 1,65 при объеме сосуда 2,3 м3 и 1,55 при объеме сосуда 4,5 м", а сметная стоимость строительства резервуарной установки снижается в

1,3. •• 1,4 раза. На основе предложенных зависимостей разработан и внедрен стандарт СТО 03321549-001-2008 по обоснованию типа испарительного устройства ПВРИ и оптимизации формы полимерного футляра.

5. С целью внедрения результатов исследований в практику проектных, строительных, эксплуатационных организаций и заводов-изготовителей разработаны техническая документация и стандарт СТО 03321549-004-2010 по применению ПВРИ СУГ в футляре.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

В ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ

1. Усачев М.А. Повышение энерго- и ресурсоэффективности подземных вертикальных резервуаров-испарителей сжиженного углеводородного газа с электронагревом на цели регазнфикации / М.А. Усачев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №4 (49). Вып. 1. С. 187-192.

2. Усачев М.А. Разработка модели системы защиты подземного вертикального резервуара-регазификатор путем заключения в полимерный футляр, заполненный инертной жидкостью по контуру испарительной поверхности / A.JI. Шурайц, М.А. Усачев, A.B. Рулев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (52). Вып. 1. С. 214-220.

3. Усачев М.А. Определение тепловой производительности подземного вертикального резервуара сжиженного углеводородного газа методом электротеплового моделирования / АЛ. Шурайц, М.А. Усачев, A.B. Рулев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4 (55). Вып. 1.С. 180-184.

Монографии

4. Усачев М.А. Системные исследования комплексной защиты резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа / A.JI. Шурайц, М.А. Усачев, A.B. Рулев и др. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. 212 с.

Научно-технические статьи, патенты и нормативные источники

5. Патент РФ на изобретение № 2187037. Установка для хранения и распределения сжиженного углеводородного газа / М.А. Усачев, А.П. Усачев (РФ). М„ 2002. 28 с.

6. Свидетельство на полезную модель № 18564. Установка для хранения и распределения сжиженного углеводородного газа / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев, А.Г. Гордеев и др. (РФ). М„ 2001. 8 с.

7. Усачев М.А. Повышение пожаро-, взрыво- и экологической безопасности установок хранения сжиженного углеводородного газа / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев и др. // Полимергаз. 2001. №1. С. 36.

8. Усачев М.А. Повышение пожаро-, взрыво- и экологической безопасности установок хранения сжиженного углеводородного газа / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев и др. // Полимергаз. 2001. №2. С. 17-20.

9. Усачев М.А. Стандарт СТО 03321549-001-2008 «Рекомендации по обоснованию типа системы комплексной защиты и оптимизации полимерного футляра для резервуара сжиженных углеводородных газов» / A.JI. Шурайц, М.А. Усачев, A.B. Рулев и др.; ОАО «Гипрониигаз». Саратов, 2008. 18 с.

10. Усачев М.А. Оценка теплового влияния антифриза, заливаемого в пространство между полимерным футляром и вертикальным резервуаром сжиженного углеводородного газа / A.JI. Шурайц, М.А. Усачев // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 93-98.

11. Усачев М.А. Обоснование оптимальной конфигурации подземно расположенных полимерных футляров с заключенными в них вертикальными резервуарами сжиженного углеводородного газа / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев, A.B. Рулев // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 99-106.

12. Усачев М.А. Системы защиты подземных вертикальных резервуаров-испарителей сжиженного углеводородного газа / A.JI, Шурайц, A.B. Рулев, М.А. Усачев и др. // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер, науч.-практ. конф. в рамках IX Российского энергетического форума и VII Международной специализированной выставки «Энергосбережение - 2009», 20-23 октября 2009 г. Уфа, 2009. С. 156-157.

13. Усачев М.А. Стандарт СТО 03321549-004-2010 «Рекомендации по обоснованию комплексной защиты и оптимизации полимерного футляра для резервуара сжиженных углеводородных газов» / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев, A.B. Рулев и др.; ОАО «Гипрониигаз». Саратов, 2010. 12 с.

14. Усачев М.А. Применение подземного вертикального резервуара в полимерном футляре для хранения и регазификации сжиженного углеводородного газа / М. А. Усачев // Разработка современных технологий и материалов для обеспечения энергосбережения, надежности и безопасности объектов архитектурно-строительного и дорожного комплекса: сб. статен по материалам Меж-дунар. науч.-практ. симпозиума, май 2010 г. Саратов: СГТУ, 2010. С. 161-164.

15. Усачев М.А. Повышение паропризводительности подземного вертикального резервуара-испарителя сжиженного углеводородного газа, заключенного в полимерный футляр / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев, A.B. Рулев и др. // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. науч.-практ. конф.. Уфа, 25-28 мая 2010 г. Уфа: Изд-во ИПЭТЭР, 2010. С. 300-301.

16. Усачев М.А. Определение расчетной глубины заложения вертикального резервуара-испарителя, заключенного в полимерный футляр / М.А. Усачев // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 145-150.

17. Усачев М.А. Повышение энерго- и ресурсоэффективности подземных вертикальных резервуаров с использованием электронагрева на цели регазификации / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер.

Междунар. науч.-практ. конф. Уфа, 24-27 мая 2011 г. Уфа: Изд-во ИПЭТЭР, 2011.С. 302-303.

18. Усачев М.А. Оценка экономии электрической энергии в подземных вертикальных резервуарах с использованием электронагрева на цели регазифи-кации / М. А. Усачев // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. науч.-практ. конф. Уфа, 24-27 мая 2011 г. Уфа: Изд-во ИПЭТЭР, 2011. С. 304-305.

19. Усачев М.А. Основные теоретические положения метода электротепловой аналогии применительно к задаче теплообмена в подземном вертикальном резервуаре / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев, A.B. Рулев // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. науч.-практ. конф. Уфа, 24-27 мая 2011 г. Уфа: Изд-во ИПЭТЭР, 2011. С. 306-308.

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Q - теплопроизводительность ПВРИ, Вт; F - поверхность, м2; t - температура, °С, расчетный год эксплуатации, год; Р - давление, МГТа; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м" К; S - толщина, м; А. - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); G - паропроизводительность, кг/ч; d - диаметр, м; г - радиус, м; скрытая теплота испарения жидкой фазы СУГ, кДж/кг; h - высота, м; Н - отметка глубины заложения, м; S - расстояние между соседними витками ЭНК, м; п - количество точечных стоков теплоты, расположенных на оси симметрии футляра; нормаль к изотермической поверхности; Qi - интенсивность i-го точечного стока теплоты (Вт), расположенного на оси симметрии и, реализующего заданные граничные условия на контуре ПВРИ; Нр - расстояние от поверхности грунта до отметки заложения дна полимерного футляра, м; hi - характерный размер теплообменника, м; Ф - фактор формы; I - сила тока, А; V - электрический потенциал, В, объем, м3; у - электропроводность среды, А/м В; m - коэффициент подобия; К - капитальные вложения, долл.; Е - норма дисконта, д.е.; т -число часов работы, ч; ф - доля годовых отчислений от капвложений, д.е.; р - плотность, кг/м3; 3 - интегральные затраты, долл.; к,, к2, Kj, Ks и Ki, К2, IQ, К6 - соответственно удельные и полные капвложения в элементы ПВРИ, ПТ, корпус и кожух ПР, доллУкг и долл.; кз и Кз -удельные и полные капвложения в ТЭНы, доллУм и долл.; к5 и К5 - удельные и полные капвложения в теплоизоляцию, доллУм2 и долл.

БУКВЕННЫЕ ИНДЕКСЫ

г - газ; доп. - дополнительный; ж - жидкая фаза; п - паровая фаза; е - естественное; и - испаритель, искусственный; н - начальная, наружный; вн - внутренний; доп - допустимый; к -конечная; пр - пропан, р. - расчетный; per. - регазификация; ср - средний; ст - стенка, сталь; с.т. - сток теплоты; и.т. - источник теплоты; т - тепловая изоляция; opt. - оптимальный; min - минимальный; max - максимальный; АПК - агропромышленный комплекс; СУГ - сжиженный углеводородный газ; ПВРИ - подземный вертикальный резервуар-испаритель; ЭНК - электронагревательный кабель; ЕТОГ - естественное тепло окружающего грунта; ИТ - искусственные теплоносители; ИУ - испарительное устройство.

Подписано в печать 20.03.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл.-печ.л. 1,0 Уч.-мзд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 38 Бесплатно Саратовский государственный технический университет

410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77. Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

61 12-5/3016

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ-ИСПАРИТЕЛЕЙ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА, ЗАКЛЮЧЕННЫХ В ПОЛИМЕРНЫЙ ФУТЛЯР

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

На правах рукописи

Усачев Максим Александрович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Шурайц А. Л.

Саратов 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ ?

Глава 1. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ-ИСПАРИТЕЛЕЙ СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ................. ы

1.1 Общая характеристика энергоснабжения удаленных объектов на базе резервуаров-испарителей сжиженных углеводородных газов.......... 14

1.2 Разработка модели подземных вертикальных резервуаров-испарителей СУГ, предотвращающих коррозию, нагрев, утечки СУГ

и обеспечивающих постоянный контроль повреждений их стенок...... 21

1.3 Разработка конструкции подземных вертикальных резервуаров

в футляре на основе предложенной модели................................. 29

1.4 Разработка технических решений по повышению энергоэффективности подземного вертикального резервуара СУГ, заключенного в полимерный футляр................................................................... 34

1.5 Выбор направлений дальнейших исследований............................ 39

Выводы по главе 1........................................................................ 43

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ТЕПЛООБМЕНА В ПОДЗЕМНОМ ПОЛИМЕРНОМ ФУТЛЯРЕ С ИНЕРТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ И ЗАКЛЮЧЕННОМ В НЕГО ВЕРТИКАЛЬНОМ РЕЗЕРВУАРЕ СУГ......................................... 44

2.1 Разработка математической модели теплообмена в подземном вертикальном футляре и заключенном в него сосуде СУГ при наличии потоков тепла от грунта и от электронагревательного кабеля............. 44

2.2 Постановка задачи теплообмена между грунтом и подземным вертикальным футляром с заключенным в него сосудом СУГ при наличии собственного температурного поля полуограниченного грунтового массива... 48

2.3 Расчет теплообмена между грунтом и полимерным футляром с заключенным в него вертикальным резервуаром СУГ при наличии собственного температурного поля массива............................................. 56

2.4 Оценка теплового влияния прослойки антифриза, заливаемого в полимерный футляр, на интенсивность теплообмена между грунтом, окружающим ПВРИ, и сжиженным углеводородным газом................... 61

2.5 Повышение энергоэффективности подземных вертикальных резервуаров-испарителей СУГ в футляре, использующих электронагрев на цели регазификации................................................................. 68

Выводы по главе 2...................................................................... 69

Глава 3. ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ПЛОСКИМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫМ КАБЕЛЕМ И СМОЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПВРИ, ЗАКЛЮЧЕННОГО В ПОЛИМЕРНЫЙ ФУТЛЯР, ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННЫЙ ИНЕРТНОЙ НЕЗАМЕРЗАЮЩЕЙ ЖИДКОСТЬЮ.......................... 71

3.1 Предпосылки к решению задачи теплообмена в системе «плоский электронагревательный кабель - испарительная поверхность» через стальную стенку резервуара..................................................... 71

3.2 Постановка задачи теплообмена в системе плоский электронагревательный кабель - испарительная поверхность ПВРИ в футляре........ 73

3.3 Разработка основных теоретических положений метода электротепло-

вой аналогии применительно к задаче теплообмена между плоским электронагревательным кабелем и внутренней смоченной поверхностью резервуара через массив из стальной цилиндрической стенки.... 78

3.4 Разработка установки электротеплового моделирования теплообмена между электронагревательным кабелем и внутренней поверхностью ПВРИ СУГ............................................................................ 82

3.5 Обработка полученных данных и анализ результатов исследований..... 88

3.6 Оценка погрешности экспериментальных данных............................ 90

3.7 Выводы по главе 3.................................................................... 94

Глава 4. ОБОСНОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДЗЕМНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО РЕЗЕРВУАРА-ИСПАРИТЕЛЯ СУГ,

ЗАКЛЮЧЕННОГО В ПОЛИМЕРНЫЙ ФУТЛЯР............................ 95

4Л. Основные положения системного анализа при обосновании и оптимизации подземного вертикального резервуара-испарителя СУГ, заключенного в полимерный футляр.................................................... 95

4.2 Разработка алгоритма обоснования испарительного устройства подземного вертикального резервуара-испарителя СУГ...................... 101

4.3 Учет неопределенности информации о ценовой динамике в предлагаемом алгоритме обоснования ИУ ПВРИ.................................... 106

4.4 Обоснование варианта испарительного устройства подземного вертикального резервуара-испарителя в футляре и определение зоны его применения........................................................................... 110

4.5 Обоснование оптимальной формы подземно расположенных полимер-

ных футляров с заключенными в них вертикальными резервуарами-

испарителями сжиженного углеводородного газа......................... 117

Выводы по главе 4........................................................................ 127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................. 129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................. 130

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................... 149

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С> - теплопроизводительность ПВРИ, Вт; Б - поверхность, м2; I - температура, °С, расчетный год эксплуатации, год; Р - давление, МПа; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 К; 8 - толщина, м; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); в - паропроизводительность, кг/ч; с1 - диаметр, м; г - радиус, м; скрытая теплота испарения жидкой фазы СУГ, кДж/кг; Ъ - высота, м; Н -отметка глубины заложения, м; Б - расстояние между соседними витками ЭНК, м; п - количество точечных стоков теплоты, расположенных на оси симметрии футляра; нормаль к изотермической поверхности; О; - интенсивность ьго точечного стока теплоты (Вт), расположенного на оси симметрии и реализующего заданные граничные условия на контуре ПВРИ; Нр - расстояние от поверхности грунта до отметки заложения дна полимерного футляра, м; Ь2 - характерный размер теплообменника, м; Ф - фактор формы; I - сила тока, А; V - электрический потенциал, В, объем, м ; у - электропроводность среды, А/м-В; т - коэффициент подобия; К - капитальные вложения, долл.; Е - норма дисконта, д.е.; т - число часов работы, ч; ф - доля годовых отчие-

о

лений от капвложений, д.е.; р - плотность, кг/м ; 3 - интегральные затраты, долл.; кь к2, К4, к6 и Кь К2, К4, К6 - соответственно, удельные и полные капвложения в элементы ПВРИ, ПТ, корпус и кожух ПР, долл./кг и долл.; к3 и К3 - удельные и полные капвложения в ТЭНы, долл./м и долл.; к5 и К5 -удельные и полные капвложения в теплоизоляцию, долл./м2 и долл.

БУКВЕННЫЕ ИНДЕКСЫ

г - газ; доп - дополнительный; ж - жидкая фаза; п - паровая фаза; е - естественное; и - испаритель, искусственный; и.т. - источник тепла; н - начальная, наружный; вн - внутренний; доп. - допустимый; к - конечная; пр - пропан, р. - расчетный; per. - регазификация; ср - средний; ст - стенка, сталь; с.т. -сток тепла; ит. - источник тепла; т - тепловая изоляция; opt. - оптимальный; min - минимальный; шах - максимальный; АПК - агропромышленный комплекс; СУГ - сжиженный углеводородный газ; ПВРИ - подземный вертикальный резервуар-испаритель; ЭНК - электронагревательный кабель; ЕТОГ - естественное тепло окружающего грунта; ИТ - искусственные теплоносители; ИУ - испарительное устройство.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В современной отечественной и зарубежной практике энергоснабжения промышленных объектов (ПО), удаленных от опорных пунктов газоэнергоснабжения, все более широкое применение находят децентрализованные системы энергоснабжения потребителей с использованием пропан-бутановых смесей сжиженного углеводородного газа (СУГ) на базе подземных резервуаров.

В общем балансе удаленных промышленных объектов значительное развитие получают предприятия по выпуску промышленной продукции, мини-цеха модульного типа по переработке сельскохозяйственной продукции, обработке и сушке древесины, производству строительных материалов и конструкций, животноводческие и зерноводческие фермерские хозяйства. Годовое энергопотребление указанных предприятий, как правило, не превышает 1000 МВ • ч/год.

Применение СУГ в качестве энергоносителя для промышленных предприятий, а также для бытовых и хозяйственных нужд, в полной мере отвечает технологическим, экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям, способствует улучшению качества выпускаемой продукции и снижению ее себестоимости. Высокая степень диверсификации и автономности систем энергоснабжения на базе сжиженного газа в сочетании с высоким потребительским эффектом делают его наиболее предпочтительным для основного или резервного газоэнергоснабжения удаленных промышленных объектов.

Высокая степень диверсификации и автономности систем энергоснабжения на базе СУГ в сочетании с высоким потребительским и экологическим эффектом делают сжиженный газ наиболее предпочтительным энергоносителем для малых объектов АПК и сопутствующих им поселков, удаленных от опорных пунктов энергоснабжения.

Таким образом, наиболее экономичным для удаленных потребителей с малым энергопотреблением является децентрализованное снабжение сжиженным углеводородным газом от подземных резервуаров, использующих

для нужд регазификации естественное тепло окружающего грунта (ЕТОГ) и искусственные теплоносители (ИТ).

В настоящее время существенно повышены требования нормативных документов (ГОСТ Р 12.3.047-98, ПБ 12-609-03, СП 62.13330.2011) по обеспечению безопасности установок хранения и регазификации СУГ. Вместе с тем отсутствуют принципиальные подходы и технические решения по обеспечению комплексной защиты подземных резервуаров СУГ от коррозии, пожара и механических воздействий. Существующие подземные вертикальные резервуары-испарители (ПВРИ) характеризуются низкой энергоэффективностью использования в холодный период эксплуатации в системах газоэнерго-сбжения малых удаленных промышленных потребителей. Отсутствуют методы теплового расчета ПВРИ, одновременно использующих для нужд регазификации ИТ и ЕТОГ. Отсутствует системный подход к обеспечению эффективности и безопасности ПВРИ.

В этой связи разработка теоретических и прикладных основ повышения энергоэффективности подземного вертикального резервуара в холодный период года при обеспечении современных требований безопасности является актуальной научно-технической задачей.

Представленная работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. на кафедре «Теплогазоснабже-ние, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» в период 2001 -г 2007 гг. в рамках комплексных программ и планов ОАО «Гипро-ниигаз» и ОАО «Росгазификация».

Начиная с марта 2008 года, работа выполняется в рамках Государственной федеральной программы «Старт» по договору с Фондом содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере № 5733 Р/8284 (заявка № 08-4-Н4-0105) и предусматривает освоение и испытание опытно-промышленного образца подземного вертикального резервуара, заключенного в герметичный футляр. Резервуар является источником СУГ для электрического ресурсоэнергосберегающего испарителя, согласно разработанным патентам.

Цель работы - повышение энергоэффективности ПВРИ, одновременно использующих в холодный период года для нужд регазификации ИТ и ЕТОГ, при обеспечении современных требований его безопасности.

Задачи исследований:

1. Технико-экономическое обоснование целесообразности применения ПВРИ СУГ в футляре с уложенным на его наружную смоченную поверхность электронагревательным кабелем (ЭНК).

2. Обоснование принципиальных подходов разработки технических решений по повышению безопасности и эффективности ПВРИ в холодный период времени года, когда отопительная нагрузка является максимальной.

3. Разработка математической модели теплообмена ПВРИ в футляре при одновременном использовании на нужды регазификации ИТ и ЕТОГ.

4. Получение расчетных зависимостей по определению теплового потока к резервуару в футляре от ЭНК, уложенного на его наружную поверхность.

5. Оптимизация геометрических параметров подземного вертикального резервуара-испарителя, заключенного в полимерный футляр.

6. Проведение экспериментальных исследований, уточняющих теоретические зависимости, проведение мероприятий по внедрению предлагаемой конструкции ПВРИ.

Методы исследования и достоверность результатов: системный подход при разработке конструкции предлагаемой конструкции резервуара СУГ; электротепловое моделирование процессов теплообмена между плоским ЭНК и испарительной поверхностью резервуара; натурный эксперимент; системный анализ при оптимизации геометрических параметров в системе плоский ЭНК - испарительная поверхность ПВРИ, заключенного в футляр.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием современных методов системных и экспериментальных исследований в промышленной теплоэнергетике. Адекватность моделей подтверждена результатами экспериментов на опытно-промышленном образце ПВРИ, заключенного в герметичный футляр.

Научная новизна работы.

1. Предложен алгоритм обоснования целесообразности применения вертикального резервуара в полимерном футляре с уложенным на его наружную смоченную поверхность ЭНК, позволяющий на базе системного подхода приводить все конкурирующие варианты к единой структуре, учитывающий динамику развития и иерархию его функционирования в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов.

2. Обоснованы принципы создания технических решений по повышению безопасности и энергоэффективности путем заключения вертикального резервуара с уложенным на его наружную смоченную поверхность ЭНК в подземный полимерный футляр, заполненный инертной жидкостью до уровня жидкой фазы СУГ в стальном сосуде с поддержанием значения ее температуры, обеспечивающего расчетный приток теплоты из окружающего грунта в холодный период года.

3. Разработана математическая модель теплообмена в подземном вертикальном стальном резервуаре СУГ, заключенном в полимерный футляр, заполненный инертной жидкостью до уровня жидкой фазы СУГ в стальном сосуде, при одновременном поступлении теплоты на нужды испарения от электронагревательного кабеля, уложенного на наружную смоченную поверхность стального сосуда и окружающего грунта к полимерному футляру, позволяющая на основе методов тепловых стоков и сложения температурных полей, комплексно учитывать влияние конфигурации футляра, наличие собственного температурного поля грунтового массива, различие условий теплообмена на внутренних поверхностях резервуара и футляра, контактирующих с жидкой и газовой средами, и обеспечивающая экономию электрической энергии на испарение за счет использования ЕТОГ.

4. Получены расчетные зависимости по решению задачи теплообмена между плоским электронагревательным кабелем, плотно уложенным одной стороной на наружную смоченную поверхность стального сосуда, с другой стороной, покрытой тепловой изоляцией, и испарительной поверхностью ПВРИ че-

рез слой стального массива, позволяющие на основе метода электротепловой аналогии определять значения теплового потока в зависимости от изменения расстояния между соседними витками ЭНК и толщины стенки резервуара.

5. Предложен алгоритм оптимизации соотношения высоты к диаметру подземного полимерного футляра и заключенного в него вертикального резервуара-испарителя, учитывающий изменение конфигурации котлована в зависимости от типа грунта, обеспечивающий устойчивость положения футляра в зависимости от глубины его заложения и уровня стояния грунтовых вод и реализующий технологию по исключению песчаной засыпки в сезон-нопромерзающих пучинистых грунтах.

Основные положения, выносимые на защиту:

- алгоритм обоснования целесообразности применения вертикального резервуара в полимерном футляре с уложенным на его наружную смоченную поверхность ЭНК;

- принципы создания технических решений по повышению безопасности и энергоэффективности подземного вертикального резервуара в полимерном футляре;

- математическая модель теплообмена ПВРИ в полимерном футляре;

- расчетные зависимости по решению задачи теплообмена между плоским ЭНК и испарительной поверхностью ПВРИ на основе метода электротепловой аналогии;

- алгоритм оптимизации соотношения высоты к диаметру подземного полимерного футляра и заключенного в него вертикального резервуара-испарителя;

- результаты экспериментальных исследований, опытно-промышленных испытаний и внедрения предлагаемой конструкции ПВРИ.

Практическая ценность.

1. Предложенная конструк