автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Разработка рациональных схем автономного газоснабжения на базе сжиженного природного газа

На правах рукописи

Фролов Владимир Олегович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ АВТОНОМНОГО ГАЗОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

п 3 ДПР 2С14

Саратов-2014

005546711

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

Научный руководитель: Медведева Оксана Николаевна

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Агапов Юрий Николаевич

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный технический университет, кафедра теоретической и промышленной теплоэнергетики, профессор

Лушникова Елена Николаевна

кандидат технических наук, доцент, Воронежская государственная лесотехническая академия, кафедра электротехники, теплотехники и гидравлики, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет (ЮЗГУ)», г. Курск

Защита состоится «15» мая 2014 года в 10— 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.

С диссертацией 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.vqasu.vrn.ru

Автореферат разослан «14» марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Колосов А.И.

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

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 хладоносите-лем 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 математические модели определения основных технологических параметров

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 хладо-носителя 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.

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

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 «Гипронии-газ», 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».

В статьях, 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-

ров природного газа и хладоносителя в схеме газоснабжения потребителей

спг.

Сгруюура 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 16) - способ транспортировки СПГ от потребителя до установки по сжижению.

Охлажденный

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-

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:

„ ( ,"Сут _Л

ß = *.E ном ■(2-д1+д2-т^)-л1(х-Х1У + (у-у,У Umin, (1)

/=11,4 ■ 1 и ■ mcnr J

где xi,yj - координаты газифицируемых объектов, расположенных на территории области (административного района); х;у - координаты завода по производству СГТГ; Q— расход топлива в сутки одним транспортировщиком, затрачиваемого на доставку СПГ i-му потребителю; q1 - норма рас-

q2 ~ норма расхода бензина на перевозку полезного

хода бензина,

ЮОкл*'

груза,

тспг номинальная масса груза, перевозимого одним

100т ■ км

транспортировщиком; С,^' - суточная потребность в природном газе населенного пункта на маршруте; К, = 0,01 • (1 + 0,01 • 0).

2

Магистральный газопровод £ti 4

л, Завод по сжижению " природного газа

Ш Хранилище СПГ

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-

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 хладо-носителей (рисунок 3).

Порош ково -вакуум и ая изоляция

Хладоноситель

ИГ ИГ

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 хладоноси-теля. Из проведенного анализа для дальнейшего применения приняты изо-пентан и диметиловый эфир. Были определены основные параметры хла-доносителя 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:

КГ___а

и-Ь 4Ти(и + Ь) (2)

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

с2__

91? 3-В

С2-Рг | Съ-Е С-Р-Ё С3 Е [ С Р

21-В3 4 ■ В 108-5 27 • В 6 В3 27-В3

__С_ I Ръ Е2 С2 • Д2 С3 ■ £ С-Р Е С3__£_ С£>

+У\27-53 + 4-52 _108-54 + 27-54 6-53 21 ■ Въ 2~В + 6-В2'

Определяя значения давления инверсии при температуре наружного воздуха Л и при температуре природного газа, охлажденного хладоноси-телем Т2 > получили необходимые конечные давления Р1 и Р2 для базовой схемы и для предлагаемой.

В результате, для определения давления инверсии природного газа была получена математическая зависимость (с доверительной вероятностью 0,97):

Ринв = 1„ ■ (-0.0039437V -0.0337608■т1 + 0.0378819)-7.0724502• т/2 + +6.4922774-т/+ 1.1898192, где Ринв - давление инверсии природного газа; гв - температура наружного воздуха, при котором реализуется предлагаемый метод; т; - к.п.д. тепло-обменного оборудования.

Проведенный расчет модернизированной цистерны на прочность в зависимости от гидростатического давления СПГ и хладоносителя позволил определить толщину стенки сосуда, при которой приложенная нагрузка не вызывает напряжений, превышающих максимально допустимые. Расчет был проведен для внутренней оболочки для хранения СПГ, для промежуточной оболочки и для наружной оболочки. В результате были получены зависимости толщины стенки от напряжения в сосуде цистерны:

- для внутренней оболочки:

И = 0,6558 -(о-,)"0'912, (5)

- для промежуточной оболочки:

И = 1,9035 -(сг,)^9193, (6)

- для внешней оболочки:

И = 2,9042 • (сг, )~°'9394. (7)

В четвертой главе представлены результаты вычислительного эксперимента по определению основных параметров хладоносителя и природного газа в цикле производства и транспортировки потребителям.

Считая, что все тепло, воспринятое СПГ, отведено от хладоносителя, то есть процесс теплообмена проходит без потерь, конечная температура хладоносителя будет равна температуре кипения СПГ:

Тк

0пвх _ Г „хлад лу

хлад - ) Ср 011 . (8)

Тн

Таким образом, конечная температура хладоносителя является функцией:

Тк = Г(гПул^, 77, Те) . (9)

Решаем полученное уравнение с помощью итерационного метода Ньютона. Аналогично приведенному алгоритму, была определена температура охлаждаемого природного газа. Приведенная математическая модель успешно реализуется средствами вычислительной техники в соответствии с программным обеспечением, разработанным соискателем и приведенным в приложении к настоящей диссертационной работе. Результаты численного эксперимента приведены на графиках (рисунки 4-Н>). Давление инверсии, МПа. Д

Рисунок 4. К определению давления инверсии природного газа

Рспг =Р(тхлад.Г!,Тн)

Температура

Рисунок 5. К определению температуры охлажденного хладоносителя

Температура охлажденного природного газа, К. /

160—

110100-

'еРат,

«оз.

Го

Рисунок 6. К определению температуры природного газа, подаваемого на сжижение

Тпг = Г(т^£,Тн)

Обобщенная теоретическая зависимость (с коэффициентом корреляции 0,93), устанавливающая взаимосвязь между температурными режимами эксплуатации и количеством необходимого хладоносителя, имеет вид:

^хлад =3,652*10"5 -Т\ -0,01-7^ + 1,221. (]())

В пятой главе приводятся численные значения энергоэкономического эффекта от внедрения научных результатов в инженерную практику.

Так как температура природного газа, охлажденного хладоносите-лем, может быть различна в зависимости от соотношения массы хладоносителя в расчете на 1 кг СПГ, был произведен расчет для нескольких соотношений и получена графическая зависимость для определения количества сэкономленной удельной электроэнергии АЭ = /{Мхлад)-

Границе эффективности предлагаемого метода будет соответствовать максимальная удаленность газоснабжаемого населенного пункта от завода по сжижению при заданной массе хладоносителя на один кг СПГ, при котором суммарные дополнительные затраты будут равны нулю.

Тогда удаленность населенного пункта от завода по сжижению будет определяться по формуле:

ь=_АЭ' сЭл_

0,0068 • д2 ■ МХЛАД ■ (\ + 0,01 ■ О) ■ 2 • сТ ' (11}

где ст ' стоимость топлива, руб.; сэл - стоимость электроэнергии, руб./МВт-ч.

300,0 275,0 250,0 225,0 200,0 175,0 150,0 125,0 100,0 75,0 50,0 25,0 0,0

Границы эффективности метода

Зона неэффективного применения

Зона эффективного применения

М М ^

чО Г- ОО 0\ О

Масса хладоносителя в расчете на 1 кг СПГ, М^дд > кг СПГ Рисунок 7. К определению границ эффективности метода

Чистый дисконтированный доход от применения предлагаемого способа составитОДД = 3731721 руб.Энергоэкономический эффект обеспечивается за счет: применения предлагаемой конструкции криогенной цистерны (составляет 12,9%); реализации предлагаемого способа транспортировки СПГ и экономии электроэнергии за счет уменьшения мощности компрессора, которая (в пересчете на 1 кг природного газа) составляет

ДЭ = 0,124 ^^

кг

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи совершенствования системы автономного газоснабжения потребителей, удаленных от опорных пунктов газоэнергоснабжения на базе сжиженного природного газа. На основании результатов проведенных теоретических исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Обоснована целесообразность использования сжиженного природного газа, как наиболее экономичного и технически совершенного энергоносителя в автономных системах газоснабжения потребителей, удаленных от магистральных газопроводов сетевого природного газа.

2. Разработана математическая модель обоснования основных параметров новой конструкции цистерны, произведен расчет температурных режимов перевозимых в цистерне сжиженного природного газа и хладоносителя на каждом этапе транспортировки и определены оптимальные соотношения количества хладоносителя и СПГ.

3. Получена обобщенная теоретическая зависимость, устанавливающая взаимосвязь между расходом топлива автомобильного транспортного средства и массой транспортируемого хладоносителя.

4. Получена теоретическая зависимость, позволяющая определить необходимое давление инверсии (конечное давление) в зависимости от различной степени предварительного нагрева природного газа.

5. Получена теоретическая зависимость, характеризующая границу эффективности предлагаемого способа доставки СПГ и позволяющая определить максимальную удаленность газоэнергоснабжаемого агропромышленного объекта от магистрального газопровода. Расчет экономической эффективности реализации предлагаемого способа топливоснабжения потребителей на базе СПГ с базовым вариантом транспортировки сжиженного природного газа показал, что средняя величина экономии электрической энергии за счет уменьшения мощности компрессора (в пересчете на 1 кг природ-

\ . ^ п, „. кВт ■ ч ного газа) составляет ДЭ = 0,124 -

кг

6. На базе математической модели нахождения оптимального местоположения завода по производству СПГ разработана программа для ЭВМ «Определение оптимального местоположения завода по сжижению природного газа» (свидетельство № 2013610839 зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 9.01.2013), комплексно учитывающая следующие факторы: местоположение и нагрузку потребителей газового топлива, расположение трассы существующего газопровода и наличие дорог.

7. Предложен способ транспортировки сжиженного природного газа для газоснабжения агропромышленных, коммунальных и сельскохозяйственных потребителей, позволяющий значительно повысить уровень инженерного сервиса, расширить функциональные возможности установок СПГ без дополнительных затрат энергии. Особенностью предлагаемого способа транспортировки сжиженного природного газа потребителям является то, что полезный холодильный потенциал регазифицируемого СПГ используется для предварительного охлаждения природного газа перед сжижением, что позволяет уменьшить мощность компрессора.

8. Разработана новая конструкция цистерны для транспортировки СПГ с дополнительной полостью для перевозки хладоносителя. Новые технические решения защищены свидетельством на полезную модель №115309. Контейнер-цистерна осуществляет прием, хранение, выдачу и транспортировку сжиженного природного газа различными видами транспорта и может быть использована в схемах доставки сжиженного природного газа от пунктов сжижения до конечных потребителей. Основным отличием от существующих аналогов является то, что полезный объем внутреннего сосуда используется для перевозки газа в жидкой фазе, при доставке его До потребителя, и для транспортировки хладоносителя, используемого в цикле

сжижения природного газа, в полости между наружной и дополнительной оболочками при криогенных температурах от пункта регазификации до пунктов сжижения.

9. Полученные рекомендации согласуются с результатами исследований других авторов, опубликованных в справочной и технической литературе, и, вместе с тем, более адекватно отражают особенности функционирования автономных систем топливоснабжения с учетом многообразия системообразующих связей и факторов. На основе предложенных расчетных методик разработаны технические решения, вошедшие в стандарт СТО 03321549020-2012.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1 .Фролов, В.О.Сравнение вариантов систем газоснабжения потребителей / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. - №4 (51). - Вып. 3. — С. 128-133. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 3 с.)

2. Фролов, В.О. Технико-экономический анализ вариантов снабжения потребителей сжиженным природным газом/О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Научный вестник Воронежского ГАСУ- 2011. - №3 (23). -С. 49-55. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 3 с.)

3. Фролов, В.О. Разработка мероприятий по снабжению потребителей сжиженным природным газом/О.Н. Медведева, В.О.Фролов// Вестник ВолгГАСУ. - 2011. - № 23(42). - С. 134-139. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 3 с.)

4. Фролов, В.О. Разработка схемы транспортировки природного газа / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Вестник МГСУ. - 2011. - №7. -С. 520-524. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 с.)

5. Фролов, В.О. Разработка конструкции автомобильной цистерны для доставки сжиженного природного газа / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - №3. -С. 108-114. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 с.)

URL: http://www.ogbus.ru/authors/Medvedeva/Medvedeva 1 .pdf

6. Фролов, В.О. Определение основных параметров хладоносителя и природного газа в цикле производства СПГ/О.Н. Медведева, В.О.Фролов // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2013. - №2 (70). - Вып. 1. - С. 116-121. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 3 с.)

Патент

7. Свидетельство на полезную модель №115309. Цистерна для транспортировки сжиженного природного газа / О.Н. Медведева, В.О. Фролов: приоритет полезной модели 21.07.2011, зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27.04.2012. Срок действия патента до 21.07.2021.

Статьи в других изданиях

8. Фролов, В.О. Поиск оптимального решения по централизации систем газоснабжения / О.Н. Медведева, В.О.Фролов // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых. Мероприятие 292, аккредитованное по программе У.М.Н.И.К. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 173-177. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 с.)

9. Фролов, В.О. Газоснабжение сжиженным природным газом / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Наука и современность 2010: сб. материалов 1-й Междунар. науч.-практ. конф.: в 3 ч. - Новосибирск: Центр развития научного сотрудничества, 2010. - Ч. 2. - С. 105-109. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 с.)

10. Фролов, В.О. К вопросу целесообразности использования сжиженного природного газа в качестве топлива / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса: материалы Междунар. науч.-практ. симпозиума. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 108-112. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 с.)

11. Фролов, В.О. Обоснование размеров централизации систем газоснабжения / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Молодежь и 21 век: материалы 2-й Междунар. молодеж. науч. конф. — Курск: КГТУ, 2010. -С. 162-164. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 с.)

12. Фролов, В.О. Альтернативное решение проблемы снабжения потребителей природным газом / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Теплогазо-снабжение: состояние, проблемы, перспективы: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Оренбург: ОГУ, 2011. - С. 117-120. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 с.)

13. Фролов, В.О. Моделирование систем снабжения потребителей сжиженным природным газом / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона : материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Саратов: СГТУ, 2011. - С. 59-62. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 с.)

14. Фролов, В.О. Оптимальная централизация систем газоснабжения на базе сжиженного природного газа / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Нефть и газ Западной Сибири: материалы Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 т. - Тюмень: ТИИ-ТюмГНГУ, 2011. - Т. 2. - С. 60-64. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 с.)

15. Фролов, В.О. Экономико-математическая модель оптимального функционирования газораспределительной системы / В.О. Фролов // Математические методы в технике и технологиях: тр. 24-й Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГТА, 2011. - С. 16-17. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 с.)

16. Фролов, В.О. Повышение эффективности снабжения потребителей природным и сжиженным газом / О.Н. Медведева, В.О. Фролов // Казанская наука. - 2010. - №9 - Вып.1. - С. 173-178. (количество страниц, выполненных лично соискателем - 3 е.).

Фролов Владимир Олегович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ АВТОНОМНОГО ГАЗОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

Автореферат

Подписано в печать 12.03.2014

Бум. офсет.

Тираж 100 экз.

Усл. печ. л. 1,0

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Заказ 3

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.

04^01457537 На правах рукописи

Фролов Владимир Олегович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ АВТОНОМНОГО ГАЗОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

Специальность 05.23.03 — «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование

воздуха, газоснабжение и освещение»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Медведева О.Н.

Саратов 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 7

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................... 15

1.1 Современное состояние и перспективы развития систем газификации Российской Федерации........................................... 15

1.2 Выбор направления дальнейших исследований..................... 19

Выводы по главе 1................................................................. 25

ГЛАВА 2 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ТОПЛИВОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ СПГ.................................... 27

2.1 Анализ существующих способов производства и транспортировки природного газа различным категориям потребителей.................. 27

2.2 Разработка способа транспортировки сжиженного природного газа потребителям, удаленным от магистральных газопроводов............. 30

2.3 Определение оптимального местоположения завода по сжижению природного газа на плане газоснабжаемой территории................. 36

2.4 Усовершенствование конструкции транспортных средств

для доставки сжиженного природного газа............................... 41

2.4.1 Состояние вопроса и теоретические предпосылки.................. 41

2.4.2 Схема модернизированной цистерны для транспортировки

сжиженного природного газа..................................................... 43

Выводы по главе 2................................................................. 48

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СХЕМЫ ДОСТАВКИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА ПОТРЕБИТЕЛЯМ................................... 50

3.1 Выбор хладоносителя....................................................... 50

3.2 Определение давления хладоносителя в криогенной цистерне..... 52

3.3 Определение основных термодинамических параметров хладоносителя и природного газа в цикле производства СПГ........................53

3.3.1 Определение давления инверсии предварительно охлажденного природного газа............................................................................................................................................53

3.3.2 Определение температуры охлажденного природного газа..............57

3.4 Определение перерасхода топлива при использовании предлагаемой схемы доставки СПГ............................................................................................61

3.5 Определение объема заполнения сосуда цистерны............................................63

3.6 Расчет модельной цистерны на прочность................................................................65

Выводы по главе 3........................................................................................................................................72

ГЛАВА 4 ПРОВЕДЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ХЛАДОНОСИТЕЛЯ И ПРИРОДНОГО ГАЗА В

ЦИКЛЕ ПРОИЗВОДСТВА СПГ................................................ 73

Выводы по главе 4................................................................... 81

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

СХЕМЫ ТРАНСПОРТИРОВКИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО

ГАЗА................................................................................... 82

5.1 Определение расхода топлива и экономического эффекта от внедрения новой конструкции цистерны...................................... 86

5.2 Сравнительная экономическая эффективность использования схемы с возвратом хладоносителя.............................................. 88

5.3 Выявление экономической эффективности реализации

предлагаемого способа транспортировки СПГ................................................................95

Выводы по главе 5....................................................................................................................................^g

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ....................................................................................................................99

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................................102

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................... 11£

116

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СПГ - сжиженный природный газ

СУГ - сжиженный углеводородный газ

КПГ - компримированный природный газ

ЭХЗ - электрохимическая защита

ACT - автономная система топливоснабжения

УСПГ - установка сжижения природного газа

ГРС - газораспределительная станция

ГРП - газорегуляторный пункт

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

БДУ - безопасное дренажное устройство

БУКВЕННЫЕ ИНДЕКСЫ

Ь - суммарный маршрут транспортировщика СПГ,км.

/, - длина ьго ответвления маршрута, км.

О, - расход топлива, л.

<?/ - норма расхода топлива, 1/ 100км.

(¡2 - норма расхода топлива на перевозку груза, 1/(100 т км)

тспг " номинальная масса груза перевозимого одним транспортировщиком, т.

п - количество транспортировщиков

£) - суммарная надбавка (снижение) к норме расхода топлива.

С^Р - суточная потребность населенного пункта в природном газе, нм3/сут.

х, у — координаты завода по производству СПГ, км.

х„ у, - координаты ьго потребителя, км.

ср - изобарная теплоемкость, Дж/ кг К.

с°р - идеально-газовая теплоемкость, Дж/ кг К.

Я - универсальная газовая постоянная. т - приведенная температура. Ты, - температура плавления, К. Ткип - температура кипения, К. р - плотность, кг/м .

Ткр - температура в критической точке, К. Ркр - давление в критической точке, МПа. со - фактор ацентричности Питцера. г - удельная теплота испарения, Дж/кг. и - удельный объем, м /кг.

12хлад ~ количество теплоты отведенное от хладоносителя, Дж. 0,спг -количество теплоты, подведенное к СПГ, Дж. £ - коэффициент полезного действия. 9 - нормированная температура кипения вещества.

(2сп,т - количество теплоты, расходуемое на нагревание СПГ до температуры кипения, Дж. (2спГг - количество теплоты, расходуемое на регазификацию СПГ, Дж.

йл^ - количество теплоты, отведенное о хладоносителя, в процессе теплообмена при кпд = 1, Дж.

сСр - средняя изобарная теплоемкость, Дж/ кг К. тпг - масса природного газа, кг.

£>300-315,5 _ количество теплоты, отводимое от природного газа, при изменении температуры от 315,5 К до 300 К.

0300-121,26

пг - количество теплоты, отводимое от природного газа, при изменении температуры от 300 К до 121,26 К.

Рит - давление инверсии природного газа, МПа.

- температура наружного воздуха, К. УС/7Г - объем СПГ, м3. ^пол " полезный объем цистерны, м3. у хлад " объем хладоносителя, м . Уов - объем обечайки сосуда цистерны, м3. ^днищ " объем днищ сосуда цистерны, м3. Ус - объем сосуда цистерны, м3. Н - уровень продукта в сосуде цистерны, м.

о

у - удельный вес груза, кг/м .

90 - угол, характеризующий уровень заполнения цистерны. £ - безразмерная координата.

и(^) - перемещение сечения с произвольной координатой £.

Г(£) - усилие в сечении с произвольной координатой £.

сг,, а2 - напряжения от продольной силы Т, МПа.

с7изг - напряжение изгиба, МПа.

ТНАР - температура наружного воздуха, К.

тспг " масса СПГ, кг.

тхлАд ' масса хладоносителя, кг.

IV - объем транспортной работы.

2АЗ - удельные дополнительные затраты, руб/(кгСПГ). АЗэл - удельные дополнительные затраты на электроэнергию, руб/(кг СПГ). А37. - удельные дополнительные затраты на топливо, руб/(кгСПГ). сТ - стоимость топлива, руб.

АЭ - удельное снижение расхода электроэнергии, кВт ч/(кг СПГ). рпг - плотность природного газа, кг/м . Ьиз - работа изотермического сжатия, кгм.

ап - поправочный коэффициент на среднее значение температуры и барометрического

давления на всасывающем патрубке.

т]из - изотермический кпд компрессора.

77д - кпд электродвигателя.

г}п - кпд передачи.

гд - удельный вес всасываемого природного газа в нормальных условиях, кг/м3.

К - капитальные вложения в р-тый элемент системы, руб.

т - номер очередных капитальных вложений.

п - количество очередных капитальных вложений.

t - год очередных капитальных вложений.

t0 - срок службы р-го элемента системы, год.

И - эксплуатационные расходы, руб/год.

Т - срок службы системы, лет.

Е- норма дисконтирования, 1/год.

ц/ПР - приведенный поправочный коэффициент.

цгН1, - коэффициент удорожания работ за счет накладных расходов.

¥пн" коэффициент удорожания работ за счет плановых накоплений.

¥ндс -коэффициент удорожания работ за счет налога на добавленную стоимость.

<р - доля годовых отчислений.

gэ - количество электроэнергии потребляемое компрессором, кВт ч/(кг СПГ). тг - продолжительность эксплуатации в течении года. Л^ - чистый дисконтированный доход, руб. Д2ГЭЛ - экономия затрат на электроэнергию, руб.

д^топл _ схоимосхная оценка эффекта при сравнении затрат на топливо, руб.

д^экспл _ разница затрат на эксплуатацию цистерны по базовому и предлагаемому варианту,

руб.

Эт - экономический эффект, руб.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Топливно-энергетический комплекс является одной из основ экономики любой страны. Одним из условий общественного прогресса и неотъемлемым фактором любого вида человеческой деятельности является правильное распределение и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов.

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. Необходимость строительства весьма протяженных магистральных газопроводов по малоосвоенным и труднопроходимым территориям требует решения финансовых и технических задач. Также возникает необходимость учитывать и присущие трубопроводному транспорту недостатки (зависимость экспортеров газа от позиции государств, по территории которых осуществляется транзит газа; случаи хищения газа; сложность поставки газа на территории, отделяемые морями и т.д.). Поэтому вполне обоснованной является необходимость создания системы альтернативного трубопроводам варианта транспортировки природного газа в сжиженном виде, хотя практическая реализация этого проекта требует значительных капиталовложений.

Для решения социальной задачи - обеспечения населения газовым топливом - следует соединить преимущества природного газа с преимуществами сжиженного углеводородного газа (СУГ), и такой альтернативой может стать сжиженный природный газ (СПГ). Сжиженный природный газ является самым экологически чистым и безопасным из используемых в настоящее время видов топлива, а это открывает широкие перспективы его использования в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в жилищно-коммунальном хозяйстве. На сегодняшний день в России имеется надежная база и технические предпосылки

для широкого использования сжиженного природного газа в хозяйстве страны.

7

Одной из немаловажных причин необходимости ускорения работ по использованию СПГ является тот факт, что все крупнейшие месторождения природного газа в России находятся в удаленных районах, неблагоприятных для строительства транспортных газопроводов, и наиболее целесообразным здесь представляется транспортировка газа в жидком состоянии. Этот факт обуславливает необходимость строительства заводов по производству СПГ в местах перспективных месторождений.

Снабжение потребителей на базе СПГ экономически оправдано в следующих условиях:

- малые объемы потребления газа объектом, удаленным от магистрального газопровода;

- нестабильные сейсмические условия на участке предполагаемого строительства газопровода;

- сложный рельеф местности на предполагаемой трассе строительства газопровода;

- газифицируемый объект или предполагаемая трасса строительства газопровода находятся в районе с уникальным природным ландшафтом;

- наличие труднопреодолимой преграды на предполагаемой трассе строительства газопровода (море, река, горы).

Как топливо сжиженный метан обладает следующими преимуществами:

- возможность газификации объектов, удаленных от магистральных газопроводов сетевого газа;

- возможность хранения под небольшим избыточным давлением при температуре около 112К;

- нетоксичность, не вызывает коррозии металлов;

- высокая калорийность по сравнению с другими видами топлива;

- низкая температура кипения - гарантия полного испарения СПГ при самых низких температурах окружающего воздуха;

- эффективность и удобство хранения, транспортировки и потребления (при

сжижении природного газа его плотность увеличивается в 600 раз);

8

- использование в качестве моторного топлива.

Если по вопросам распределения и использования сетевого природного газа в российской научной литературе имеется ряд исследований, статей и монографий [18;26;27;34], то по рынку СПГ крупных аналитических работ выполнено незначительно. 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.

Следует отметить, что в научных и практических трудах Клименко А.П. [4547], Калниня И.М.[3], Бармина И.В. [8], Архарова A.M. [5,6], Зайцева Ю.В. [33], Орлова Ю.Н. [36], Кирилова Н.Г. [42,43], Крылова Е.В. [52], Лавренченко Г.К. [58,59], Рачевского Б.С. [112-116] и других авторов [28,56, 63, 66,97, 109, 111, 123] приводятся отдельные предложения и рекомендации по повышению эффективности и безопасности систем топливоснабжения на базе сжиженного газа. В целом же, в настоящее время отсутствуют технические решения и рекомендации по оптимизации технологии производства, хранения и транспортировки СПГ, рекомендации по ценообразованию в цепочке: производство - хранение - транспортировка - регазификация - редуцирование газа; удельные технико-экономические показатели комплексов СПГ с оценкой его конкурентоспособности по сравнению с другими традиционными энергоносителями, в первую очередь с сетевым природным газом; отсутствует нормативно-техническая документация по применению СПГ в опытных районах.

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.

Цель работы - 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 сжиженного природного газа.

Задачи исследования. 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 газоснабжа-емой территории;

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

На защиту выносятся следующие результаты:

1) Схема газонабжения потребителей, удаленных от опорных пунктов газоэнергоснабжения на базе СПГ, отличающаяся наличием дополнительного тепло-обменного оборудования на участках подготовки природного газа к сжижению и на участке выгрузки СПГ потребителю, а так же 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.

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.

Научная новизна результатов диссертации:

• Разработаны математическая модель и программный комплекс определения оптимального местоположения завода по производству сжиженного природно