автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающих систем резервуарного снабжения сжиженным углеводородным газом

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ РЕЗЕРВУ АРНОГО СНАБЖЕНИЯ СЖИЖЕННЫМ УГЛЕВОДОРОДНЫМ ГАЗОМ

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

АВТОРЕФЕРАТ 1 1 НОЯ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов-2015

005564403

005564403

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

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Осипова Наталия Николаевна

Официальные оппоненты: Попов Виктор Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова, кафедра электротехники, теплотехники и гидравлики, профессор кафедры

Гнеэднлова Ольга Александровна,

кандидат технических наук, доцент, Юго-Западный государственный университет, кафедра тепло газоводоснабжения, доцент кафедры

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «24» декабря 2015 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 2, ауд. 2226а; тел./факс: +7 (473) 271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Воронежского государственного архитектурно-строительного университета: http ://edu.vgasu. vrn. ru

Автореферат разослан «22» октября 2015 г.

Ученый секретарь /■/

диссертационного совета — Колосов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сжиженные углеводородные газы (СУГ) получили широкое распространение в мировой и отечественной практике газоснабжения. Ежегодно только в Российской Федерации в различных отраслях экономики используется свыше 16 млн. тонн указанного продукта, причем около половины приходится на долю коммунально-бытового сектора.

Сжиженные углеводородные газы имеют бесспорное преимущество при газификации сельских населенных пунктов, удаленных от магистралей сетевого природного газа. В современной России СУГ пользуются 5.45 млн. сельских квартир (50.1% от общего количества сельского населения).

Наиболее эффективную форму снабжения потребителей сжиженным углеводородным газом обеспечивают индивидуальные или групповые резерву-арные установки на базе подземных горизонтальных емкостей, эксплуатируемых в режиме естественного или искусственного испарения СУГ.

Высокая материало- и капиталоемкость резервуарных установок в сочетании с энергоемкостью процесса регазификации обуславливает повышенную стоимость сооружения и эксплуатации источников снабжения СУГ.

Важным резервом снижения ресурсо-энергоемкости резервуарных систем снабжения сжиженным углеводородным газом является совершенствование технических решений резервуарных установок, а также перевод систем газоснабжения на режим комбинированной регазификации СУГ, позволяющий максимально использовать естественную испарительную способность емкостей хранения.

Широкое внедрение ресурсо-энергосберегающих систем резервуарного снабжения СУГ требует разработки новых технических решений и научного обоснования по их эффективному использованию в газовой практике. Необходимость решения указанных задач определяет актуальность представленной диссертационной работы.

Данная исследовательская работа выполнялась на кафедре «Теплогазо-снабжение, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в рамках госбюджетной НИР «Моделирование и оптимизация энергосберегающих систем газотеплоснабжения и строительной климатотехники» (номер гос. регистрации 012153087).

Цель работы заключается в разработке научных положений и методов проектирования ресурсосберегающих систем резервуарного снабжения сжиженным углеводородным газом.

Задачи исследований. Поставленная цель реализуется путем решения следующего ряда взаимосвязанных подзадач:

- разработка математической модели обоснования геометрических параметров подземных резервуарных установок в условиях заданной величины расчетного газопотребления;

- разработка математической модели комбинированной регазификации

СУГ;

- экспериментальная апробация модели в условиях опытно-промышленных испытаний;

- разработка математической модели тепловых режимов эксплуатации бытовых газоиспользующих установок и количественная оценка энергоэкономической эффективности резервуарных систем газоснабжения с комбинированной регазификацией СУГ.

- технико-экономический анализ испарительных установок СУГ и обоснование комбинированной регазификации, в системах резервуарного снабжения сжиженным углеводородным газом;

- разработка новых технических решений, обеспечивающих снижение материальных и денежных затрат в сооружение подземных резервуарных установок;

Научную новизну диссертационных исследований составляют: 1. Разработана математическая модель оптимизации конструктивных параметров подземных резервуарных установок. Принципиальным отличием модели является наличие взаимосвязи управляющих параметров целевой функции (длина и диаметр резервуара) в условиях минимизации капитальных вложений при сооружении резервуарных установок.

По результатам численной реализации математической модели, предложен оптимальный типоряд подземных резервуарных установок, в зависимости от годового газопотребления.

2. Разработана математическая модель комбинированной регазификации в системах резервуарного снабжения сжиженным углеводородным газом с искусственным испарением, отличительной особенностью которой является наличие попеременного отбора паровой и жидкой фаз СУГ из расходных емкостей, а также теплоаккумулирующей способности системы жидкость-металл, вскрывающей дополнительные резервы естественной паропроизводи-тельности установок.

3. Разработана математическая модель тепловых режимов эксплуатации бытовых газовых приборов при реализации схемы с комбинированной регазификацией СУГ, отличительной особенностью которой является наличие переменного состава СУГ, подаваемого в приборы и саморегулирования газоснабжаемой системы, обеспечивающее стабилизацию тепловых нагрузок газоиспользующих установок.

4. На основе предложенных математических моделей в развитие технических решений по снижению материало- и капиталоемкости подземных резервуарных установок СУГ разработано и запатентовано оригинальное схемное решение резервуарных установок на базе вертикальных подземных резервуаров СУГ с устройством песчаной подушки с помощью передвижной металлической опалубки (патент на изобретение №1Ш 2495196).

На защиту выносятся:

1. Новые схемные решения подземных резервуарных установок, позволяющие существенно снизить материальные и денежные затраты в их сооружение за счет применения резервуаров с вертикальным размещением в грунте и устройства песчаной подушки с помощью передвижной металлической опалубки.

2. Математическая модель оптимизации схемно-параметрических решений подземных резервуарных установок, отличительной особенностью которой является наличие комплексной взаимосвязи, геометрических размеров и объемов емкостей, в условиях заданного газопотребления.

3. Математическая модель комбинированной регазификации СУГ, позволяющая максимально использовать естественную испарительную способность емкостей в общем балансе парогенерации резервуарных установок. По сравнению с известными аналогами модель учитывает теплоаккумулиру-ющую способность системы: жидкая фаза СУГ- металлический корпус, что вскрывает дополнительные резервы естественной паропроизводительности установок.

4. Результаты экспериментальной апробации модели в условиях опытно-промышленной эксплуатации комбинированной схемы регазификации СУГ.

5. Математическая модель тепловых режимов эксплуатации бытовых газовых приборов при реализации схемы с комбинированной регазификацией СУГ, отличительной особенностью которой является наличие переменного состава СУГ, подаваемого в приборы, и саморегулирования газоснабжающей системы, обеспечивающее стабилизацию тепловых нагрузок газоиспользую-щих установок.

Научная значимость работы заключается:

- в разработке математической модели оптимизации конструктивных параметров подземных резервуарных установок с вертикальным размещением в грунте, позволяющей обосновать конфигурацию и геометрические размеры резервуаров с учетом величины годового газопотребления;

- в обосновании схемы комбинированной регазификации сжиженного углеводородного газа в подземном резервуаре СУГ, позволяющем выявить расчётные эксплуатационные характеристики резервуарных установок при попеременном отборе из подземного резервуара жидкой и паровой фаз сжиженного углеводородного газа.

Пра1сгическая значимость работы.

Применение в газовой практике подземных вертикальных резервуаров рекомендуемых типоразмеров с использованием схемного решения позволит снизить ресурсоемкость систем резервуарного снабжения сжиженным углеводородным газом: металлоемкость резервуарных установок на 10,3%, отчуждаемую территорию под размещение резервуарной установки на 17,8%, объем земляных работ по отрывке котлована на 12,7%, потребность в песке для обратной засыпки котлована на 84,5%.

Комбинированная схема испарения сжиженного углеводородного газа обеспечивает снижение нагрузки на регазификаторы СУГ на базе электрических испарителей с промежуточным теплоносителем в размере 33-^59%. Годовая экономия электроэнергии, затрачиваемой на регазификацию СУГ, составляет более 2 МВт-ч/год на одну резервуарную установку при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений в резервуарные установки при переводе их на режим комбинированной регазификации не более 1,5 лет.

Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе при чтении курсов «Системы снабжения сжиженным газом», «Технико-экономическая оптимизация систем теплоснабжения, газоснабжения и теплогенерирующих установок», «Специальные вопросы проектирования систем теплогазоснабжения и вентиляции» для студентов направления 270800.62 «Строительство» профиля «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., а также в курсовом и дипломном проектировании.

Результаты научных исследований переданы для внедрения в головной научно-исследовательский институт ОАО «Гипрониигаз» и рекомендованы научно-техническим Советом для использования в проектной практике института.

Методология н методы исследований. При разработке методологии исследований использованы фундаментальные положения термодинамики и тепломассообмена, элементы системного анализа, современные методы математического и экономико-математического моделирования.

Основные положения термодинамики и тепломассобмена применены при разработке математической модели комбинированной регазификации сжиженного углеводородного газа, а также при обосновании тепловых режимов работы газоиспользующего оборудования у потребителя. Системный анализ использовался при оценке результатов экспериментальных исследований комбинированной регазификации сжиженного углеводородного газа и определении основных технических характеристик систем резервуарного газоснабжения.

При проведении научных исследований по оптимизации конструктивных параметров подземных резервуарных установок с вертикальным размещением в грунте применялось исследование целевой функции на экстремум, ограниченной набором линейных неравенств методом вариантных сравнений с учетом неопределенности исходной экономической информации.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием общепринятых научных положений в области теории и практики распределения и использования газового топлива. Адекватность математических моделей подкрепляется результатами экспериментальных наблюдений. Основные положения и выводы диссертационной работы коррелируются сданными других исследований.

Апробация работы. Основные результаты научной работы были представлены и обсуждались на Восемнадцатой Всероссийской научно-

технической конференции ООО «СПБ Графике» (Томск 2012); VIII Международной научно-практической конференции «Актуальные научные достижения 2012» (Чехия, Прага 2012); Международных научных конференциях ММТТ «Участники школы молодых ученых и программы «УМНИК» (г. Саратов, 2010 - 2014 г.); научных семинарах и конференциях Саратовского государственного технического университета (г. Саратов, 2010-2014г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, общим объемом 42 страницы, из них лично автору принадлежит 26 страниц. Получен патент на изобретение №RU 2495196. Три работы опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК: «Вестник СГТУ»; «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертационных исследований: в работе [1] приведены результаты моделирования тепломассообмена в подземных резерву-арных установках при комбинированной регазификации СУГ; в работе [2] представлены результаты экспериментальной апробации математической модели в условиях реальной газовой практики; в работе [3] приводятся технические решения и рекомендации по применению ресурсо-энергосберегающих систем резервуарного снабжения сжиженным газом.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 101 наименования и 5 приложений. Общий объем работы 120 страниц, включая 18 таблиц и 24 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводятся результаты технико-экономического анализа подземных резервуарных установок сжиженного углеводородного газа. С целью снижения затрат в сооружение подземных резервуарных установок предложено и запатентовано новое техническое решение, предусматривающее вертикальную установку емкостей и устройство песчаной засыпки с помощью специальной передвижной металлической опалубки.

В целях обоснования оптимальных схемно-параметрических решений подземных резервуарных установок были проведены соответствующие исследования.

В качестве целевой функции экономико-математической модели использовался функционал следующего вида:

3 = ЛУР(л,егод,а,Ф]±ДЗ = 1™п, (1)

при ограничениях:

0,96 < vf < 5,0м1 ;п=2.0; 2,0 < ом < юот / год;

0,9 2 Ы < 1,8м ;0,33<Ф< 1,94; ДЗ = ±3 - 5% (2)

В качестве дополнительной связи между управляющими параметрами целевой функции 1'р, с1 и Ф принято уравнение:

4У

Ф = -^-0,33 (3)

ш

где 3 — дисконтированные затраты на сооружение и эксплуатацию ре-зервуарной установки, руб.;

Ур - геометрический объем одиночного резервуара,

п - количество резервуаров в групповой установке, шт; годовой объем потребления газа, т/год;

<1 - диаметр цилиндрического резервуара, м;

Ф - формфактор резервуара (отношение длины цилиндрической части резервуара 1 к его диаметру <});

ДЗ - погрешность исчисления затрат, определяющая зону экономической неопределенности решения задачи (ЗЭН).

Детализация исходного функционала (1) в виде конкретных расчетных зависимостей приводится в соответствующих разделах диссертации. Приведенная модель (1-3) успешно реализуется методом вариантных расчетов в соответствии с алгоритмом, представленным в диссертации.

По результатам численной реализации предложенной математической модели (1-3), применительно к условиям реальной газовой практики, разработан оптимальный типоряд вертикальных подземных резервуаров, состоящий из 4х типоразмеров объемом от 0.96 до 4.7 м1 (рис. 1).

5.5

5.0

Í « f 3.5

4>

¡L 3.0

я

I "

0

1 " S 1.5

/2

А / У

/ I /

/ I /

/ /

лв-: «i 1/

/ /

/ / РЛВ 1.45

У /

г? РГТЕ -ass

Рис. 1. Оптимальный типоряд вертикальных подземных резервуаров СУГ. 1,2 -верхняя и нижняя границы ЗЭН.

Технические характеристики подземных резервуарных установок оптимального типоразмера и их геометрические параметры, а также рекомендуемые области применения в современной газовой практике приводятся в таблице 1.

В целях количественной оценки ресурсосберегающей эффективности предлагаемого варианта подземных резервуарных установок, были проведены сравнительные расчеты 2х вариантов резервуарных установок. В качестве базового варианта использовались типовая резервуарная установка на базе 2х горизонтальных емкостей объемом 2,7 V, с полной обратной засыпкой котлована песчаным грунтом. В качестве альтернативного варианта - резервуарная установка на базе 2х вертикальных емкостей объемом 2,6 >.<' (в соответ-

10 20 20 40 50 60 70 80 30 100 110 Годовое пстресганиа скиж&жога raja Q. т/год

ствии с рекомендациями оптимального типоряда), с частичной обратной засыпкой песка в передвижную металлическую опалубку.

Таблица 1. Технические характеристики подземных вертикальных резервуаров сжиженного углеводородного газа

Установлено что, при общем снижении капитальных вложений в размере 22.5% обеспечивается снижение расхода песка для обратной засыпки котлована на 84.5%, сокращение площади, отчуждаемой под размещение емкостей на 17.8% и другие технико-экономические параметры.

Во второй главе приводятся результаты технико-экономического анализа испарительных установок сжиженного углеводородного газа, используемых в системах резервуарного газоснабжения.

Проведенный анализ показывает, что в системах газоснабжения с годовым объемом газопотребления до 25 т/год наиболее предпочтительным вариантом регазификации СУГ является естественная регазификация продукта в самих расходных резервуарах, использующая природную теплоту грунтового массива. В отдельных случаях, при повышенном газопотреблении резервуар-ные установки могут эксплуатироваться в комплексе с трубчатыми грунтовыми испарителями. В качестве источников газоснабжения рекомендуется использовать групповые резервуарные установки из 2х резервуаров с единичным объемом 0,96 и 1,45 л<3.

В системах газоснабжения с годовым объемом газопотребления свыше 25 т/год наиболее предпочтительным вариантом регазификации сжиженного углеводородного газа является искусственная регазификация продукта в электрических испарителях с жидким или твердотельным промежуточным теплоносителем (ИЭПТ - 20, ИЭТПТ - 60, УИ - 100 и др.). В качестве источника газоснабжения рекомендуется использовать групповые резервуарные установки с резервуарами повышенного объема 2,6 и 4,7м\

Применение вертикальных подземных резервуаров оптимального типоряда, оборудованных электрическими испарителями с промежуточным теплоносителем, покрывает нагрузку в объеме до 100т сжиженного углеводородного газа в год, что вполне соответствует реальной потребности газовой практики. Для крупных промышленных объектов с годовыми потреблением СУГ более ЮОт/год необходимо использовать огневые испарители с жидким промежуточным теплоносителем и оборудовать резервуарный парк емкостями повышенного объема.

Важным резервом снижения энергоемкости процесса искусственной регазификации СУГ является снижение расхода электроэнергии за счет использования естественной испарительной способности расходных

Наименование параметра Обозначение (марка) резервуара

РПБ-0,96 РПВ-1,45 РПВ-2,6 РПВ-4,7

Геометрический объем резервуара 0.Э6 1.45 2.6 4.7

Полезный объем резервуара при 85% заполнения 0,82 1.24 2.22 4,0

Внутренний диаметр ксрпуса а,мм 900 1100 1400 1800

Толщина стенки ксрпуса и днищ б,мм 6 6 8 8

Д1инна резервуара по эллиптическим длинам |,мм 1819 2060 2070 2190

Рекомендуемый диапазон годового газопотребления о-.... £15 15-25 25-45 45- 100

резервуаров. Реализацию этой возможности обеспечивает схема комбинированного испарения сжиженного углеводородного газа, разработанная на кафедре ТГС СГТУ (рис.2).

Рис. 2. Схема комбинированной регазификации сжиженного углеводородного газа: 1-расходный резервуар, 2- проточный испаритель, 3- байпасный клапан, 4 - регулятор давления.

Схема работает следующим образом. В начальный период эксплуатации паровая фаза из расходного резервуара проходит через байпасный клапан (3), регулятор низкого давления (4) и подается потребителю, то есть используется принцип естественного испарения из замкнутого объема. При этом температура сжиженного углеводородного газа, а следовательно, и давление паровой фазы в резервуаре понижаются.

При достижении в резервуаре некоторого минимального давления Рюм клапан закрывается. Образовавшийся в нем перепад давлений обеспечивает подъем жидкой фазы из резервуара и подачу ее в испаритель, т.е. происходит искусственное испарение в проточном теплообменнике. Вследствие тепло-притока из окружающей среды (грунт, воздух) температура сжиженного углеводородного газа в расходном резервуаре, а вместе с ней и давление паровой фазы повышается. Вновь открывается клапан, давление за ним увеличивается, происходит отсечка жидкой фазы и т.д.

Таким образом, при достижении в резервуаре расчетного давления Рти обеспечивается комбинированный отбор жидкой и паровой фаз с максимальным использованием испарительной способности расходного резервуара. Предложенная схема регазификации СУГ защищена авторским свидетельством и хорошо зарекомендовала себя в условиях опытно-промышленной эксплуатации.

В третьей главе приводятся результаты теоретических исследований подземных резервуарных установок с комбинированной регазификацией СУГ.

Вопросы естественной регазификации в емкостях хранения СУГ освещаются в работах Клименко А.П., Никитина Н.И., Преображенского Н.И., Курицына Б.Н. и других исследователей. Однако приведенные авторами решения, отличающиеся глубиной проработки исследуемого вопроса, характером исходных предпосылок, принятых при постановке задачи, часто носят фрагментарный и противоречивый характер. Полученные на их основе рекомендации по определению расчетной паропроизводительности привязаны к

ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ

1_L .2

ААААл

X

/ пот

ПОТРЕБИТЕЛЬ

ггттттттгггт 1

конкретным (заданным) условиям работы установок и не учитывают в должной мере взаимосвязь и динамику технических характеристик процесса.

В целях теоретического обоснования резервуарных установок, эксплуатируемых в режиме попеременного (комбинированного) отбора жидкой и паровой фаз СУГ, были проведены исследования, учитывающие наличие взаимосвязи и временной динамики технических характеристик процесса.

Полагая, что в течение отдельного интервала времени Ат технические характеристики подземного резервуара изменяются весьма незначительно, уравнение теплового баланса для ¡-того временного интервала можно представить в следующей форме:

- режим естественной регазификации (паровая фаза СУГ генерируется только в расходном резервуаре С=С,,

к;1 («ж, <« Ж -1;;)дг+[(с„м:„>+с^м» д - ^)=год г, (4)

где: н, к - начало и конец расчетного временного интервала;

<Р, - уровень заполнения резервуара газом в ¡-ом временном интервале;

^,(<0 — коэффициент теплопередачи подземного резервуара, Вт/(м2 °С);

Рем* (ф. )~~ смоченная поверхность резервуара, м2;

г^, - температура жидкой фазы СУГ в резервуаре, °С; естественная температура грунта °С;

С.и'Сж ~ массовые теплоемкости металлического корпуса резервуара и жидкой фазы СУГ, Вт ч/(кг °С);

, Л/„.- масса сжиженного углеводородного газа и металлического корпуса резервуара, соответствующая его смоченной поверхности, кг.

Я - теплота парообразования СУГ, Вт ч /кг

О - расход газа из резервуара, кг/ч;

- режим комбинированной регазификации (паровая фаза СУГ в генерируется частично в расходном резервуаре О,,, частично в испарителе 0„):

к? агр - IV ) Лт=(СмМ»,к+ СЖМ».К)(С£,К- ^к)+т Ср Ат

при 0 = 0,,+0„ (5) Наличие отбора паров из резервуара Ор и, как следствие, снижение уровня его заполнения <р1 обуславливает соответственную динамику его технических характеристик:

МйХ^^Ш^^М^,) (6) Детализация конкретных расчетных зависимостей (6) приводится в соответствующих разделах диссертации.

В процессе отбора паров из резервуара происходит также изменение фракционного состава жидкой фазы СУГ. В ней уменьшается количество лег-кокипящего компонента (пропана) и увеличивается содержание тяжелой фракции (бутана).

Содержание пропана в жидкой фазе резервуара V, в ¡-м расчетном интервале времени определяется по уравнению Ромэна и Крапне:

= при я = ^, а также 4 = ^ (7)

(1 -р,Г (1 -¥,у н р^у ' <РН

где ц/н — исходное содержание пропана в жидкой фазе СУГ в начале эксплуатации резервуара, мол.%;

<р„ — начальный уровень заполнения резервуара газом, составляющий 85% его полного объема;

Р„р> Ре ~ давление паров пропана и бутана при соответствующей температуре СУГ, Па. Определяется по уравнению Антуана:

А-В

Р„М6)= 10_с-'-, (8)

где А, В, С — эмпирические коэффициенты, характерные для соответствующих углеводородов в определенном диапазоне температур.

Динамика температуры и состава СУГ вызывает соответствующую динамику давления паровой фазы. Указанное давление определяется согласно объединенному закону Дальтона-Рауля:

1-г,), (9)

при ограничениях:

- в режиме естественной регазификации Р„>Р> />„„,; (10)

- в режиме комбинированной регазификации Р = РтмВ, где РтлЛ - давление срабатывания байпасного клапана, Па.

Общее количество газа, получаемое за счет естественной испарительной способности резервуара при работе резервуарной установки в режимах естественной и комбинированной регазификации определяется по формуле:

Дг + £о,Дг (11)

1 I

Вклад естественной испарительной способности резервуара в общую паропроизводительность резервуарной установки составляет:

М

2 = — кт_ (12)

Мж(Ч>н -Рост)

где М°ж - масса жидкости в резервуаре при 100% заполнении, кг,

<р„ и гр,х,т — начальный и остаточный уровни заполнения резервуара газом, составляющие 0,85 и 0.1 соответственно.

Уравнения (4-12) формируют математическую модель задачи. Численная реализация модели осуществляется шаговым методом и средствами вычислительной техники в соответствии с программным обеспечением, разработанным при участии соискателя.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований подземной резервуарной установки, эксплуатируемой в режиме комбинированного отбора паровой и жидкой фаз СУГ.

В качестве объекта исследований использовалась опытно-промышленная установка на базе подземного резервуара объемом 2,5 м3,

оборудованная байпасным клапаном-переключателем. Исследования проводились при постоянном отборе газа в размере С~3,0 кг/ч.

Исходный состав газа: этан - 1,9 % (объем), пропан - 62,3 %, н - бутан — 30,4 %, изобутан - 5,4 %, или в пересчете на бинарную смесь: пропан -64,2 %, н - бутан - 35,8 %.

В ходе опытов измерялись следующие параметры:

- давление и температура СУГ в резервуаре;

- продолжительность эксперимента и расход газа;

- естественная температура грунта;

- состав сжиженного газа в резервуаре;

- теплофизические характеристики грунта.

Давление газа измерялось 2-мя пружинными манометрами типа МЛ класса 1,0 с верхним пределом измерений 0,6 и 0,1 МПа соответственно.

Температура сжиженного углеводородного газа в подземном резервуаре замерялась вытяжными термометрами типа «ТОЬ» с ценой деления 0.1 °С, с пределами измерения температуры +50 и -30 °С.

Температура грунта замерялась на глубине 1,1 м на удалении 6 метров от подземного резервуара. Измерение температуры грунта производилась вытяжным термометром того же типа.

Замеры температуры и давления проводились ежесуточно и дублировались 4 раза с интервалом 3-5 минуты.

Расход газа замерялся двумя счетчиками СГБ-О, включенными последовательно для взаимного контроля. Результаты измерений пересчитывались на стандартные условия с учетом температуры и давления газа перед счетчиками.

Измерения расхода газа проводились ежечасно. Постоянство расхода газа регулировалось с помощью специального вентиля. Пробы сжиженного углеводородного газа для анализа его компонентного состава отбирались в течение эксперимента с интервалами в 20-30 часов. Химический анализ газа проводился на хроматографе «Кристалл 5000».

Пробы грунта на территории резервуарной установки забирались на отметках 1, 4 и 9 метров по глубине массива не менее трех раз. По материалам статистической обработки экспериментальных наблюдений, максимальная погрешность экспериментальных данных с достоверной вероятностью 0,95 составляет 10%.

Результаты исследований, в виде экспериментальных точек, представлены на графике (рис. 3). Для сравнения на том же графике приводятся результаты численной реализации математической модели (4-12). Как видно из графика, теоретические значения исследуемых параметров согласуются с экспериментальными данными. Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных значений с достоверной вероятностью 0,95 составляет 17%. Удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных результатов подтверждает корректность предложенной математической модели и дает основание рекомендовать её к использованию в инженерной практике.

Период Период отбора

О 20 «0 «О СО 130 120 140 1ЕО 180

Продолжительность экотфимеята^. н.

О- содержание пропана: О- температура сжиженного газа;

Д-давление сжиженного газа; теоретические данные:

1 - режим естественной регазификации; 2 - режим комбинированной регазификации.

Рис. 3. Эксплуатационные характеристики подземного резервуара СУГ при комбинированном отборе жидкой и паровой фаз.

В пятой главе приводятся результаты исследований энергоэффективности резервуарных систем газоснабжения с комбинированной регазифика-цией СУГ.

Используя теоретические положения математической модели (4-12) были проведен расчет с целью выявления энергосберегающего эффекта установок комбинированной регазификации СУГ в разрезе годового цикла эксплуатации.

Результаты расчетов для разных типоразмеров резервуарных установок, эксплуатируемых в различных климатических зонах Российской Федерации, приводятся в таблице 2.

Таблица 2

Энергоэффективность резервуарных установок с комбинированной регазнфикациеП СУГ в условиях оптимального газопотребления._

Климатические зоны эксплуатации резервуар-ной установки Среднегодовая доля естественной испарительной способности резервуарной установки в обшем балансе газопотребления, г, при объеме резервуара, УР, м3

Групповая установка из 2х резервуаров; среднечасовое газопотребление 5,0 кг/ч. Групповая установка из 2х резервуаров; среднечасовое газопотребление 10,0 кг/ч.

2,6 4,7

Умеренно-тёплая 47 59

Умеренно-холодная 39 53

Холодная 33 48

Как видно из таблицы 2, применение комбинированной регазификации снижает энергопотребление испарительными установками на 33-59% при адекватной экономии электрической энергии.

Таким образом, перевод резервуарных установок с искусственным испарением на режим комбинированной регазификации является эффективным средством экономии энергоресурсов при эксплуатации резервуарных систем снабжения сжиженным углеводородным газом. При этом, дополнительные капитальные вложения, связанные с установкой байпасных клапанов, окупаются в течение 1-1,5 лет.

Следует отметить, однако, что эксплуатация резервуарных систем снабжения сжиженным углеводородным газом в режиме комбинированной регазификации обусловливает значительную динамику компонентного состава СУГ в расходных резервуарах (рис. 3). Как следствие, к газоиспользующим установкам подается паровая фаза переменного состава. Указанное обстоятельство может оказывать существенное влияние на эффективность использования газового топлива. Следует отметить, что системы резервуарного газоснабжения, оборудованные регуляторами давления, обладают свойством саморегулирования.

В начальный период эксплуатации резервуарной установки в регулятор давления подается паровая фаза с повышенным содержанием пропана у/" при повышенном входном давлении Р„. Выходящая из регулятора давления паровая фаза, имея пониженную плотность р и пониженную теплотворную способность Онр, подается в газовый прибор при повышенном давлении газа Рпа. В последующие моменты эксплуатации содержание пропана в паровой фазе у/,',',, уменьшается, как следствие, уменьшается давление на входе в регулятор Р„, уменьшается давление на выходе из регулятора Рвш, увеличивается плотность р и теплотворная способность 0'р газа за счет увеличения в нем содержания бутановой фракции. Такое взаимодействие физических параметров газа способствует стабилизации тепловых нагрузок газовых приборов.

Приведенные соображения реализует математическая модель энергоэффективности использования СУГ в газовых приборах потребителя.

В общем случае предложенная модель представляет собой следующую систему уравнений:

- уравнение для приведенного числа Воббе, характеризующего тепловую нагрузку газового прибора:

С" = (13)

- уравнения для физических параметров газовой смеси:

ОРн = <КпрЧ>Хр + <?р"б(1" ГпЛ Р= Р"рК + Рб(1 -

Рвьп =-10,288 0 +47,99 Р„ +321,99; (14)

где в - расход сжиженного углеводородного газа, кг/ч;

Ршх - давление СУГ на выходе из регулятора, даПа;

Р„ - давление СУГ на входе в регулятор, МПа (изб.), определяемое путем численной реализации математической модели (4-12);

- уравнения термодинамического равновесия паровой и жидкой фаз в расходном резервуаре:

0ппр = чИТрТГ*. где Рвх = Рпр^р + Р6(1 - </,»);

Р„р = Ю рб = ЮС«-**Г, (15),

где 1Ж - температура жидкой фазы СУГ в резервуаре °С, определяемая путем численной реализации математической модели (4-12).

Как показывают расчеты в соответствии с уравнениями (13-15), несмотря на значительные колебания фракционного состава газовой смеси (от 82 до 14% пропана), благодаря саморегулируемости системы газоснабжения, тепловые нагрузки газовых приборов (число Воббе) изменяются в процессе эксплуатации в достаточно узком диапазоне (2-2,5%). Указанные колебания не оказывают заметного влияния на КПД газоиспользующих установок и полностью удовлетворяют требованиям действующих стандартов к взаимозаменяемости горючих газов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В целях снижения материале- и капиталоемкости резервуарных установок разработано и запатентовано новое техническое решение, предусматривающее вертикальную установку емкостей и устройства песчаной подушки с помощью передвижной металлической опалубки (патент на изобретение №1Ш 2495196).

2. Разработана математическая модель оптимизации конструктивных параметров подземных резервуарных установок сжиженного углеводородного газа, учитывающая взаимосвязь геометрических размеров емкостей. По результатам численной реализации модели разработан оптимальный типоряд подземных резервуаров в зависимости от величины годового потребления газа.

По сравнению с существующим вариантом сооружения резервуарных установок (с горизонтальным размещением емкостей и полной засыпкой котлована песчаным грунтом), предлагаемое решение обеспечивает экономию капитальных вложений в размере 22,5%, сокращение площадей, отчуждаемых под размещение резервуарных установок на 17,8%, снижение расхода песка для обратной засыпки котлована на 84,5%, и целый ряд других преимуществ экономического и технического характера.

3. Разработана математическая модель комбинированной регазифика-ции СУГ в установках с искусственным испарением сжиженного углеводородного газа. Отличительный особенностью модели является учет режимов эксплуатации емкостей при попеременном отборе паровой и жидкой фаз СУГ и наличие теплоаккумулирующей способности расходных резервуаров.

4. В целях проверки достоверности предложенной математической модели были проведены экспериментальные исследования на опытно-промышленной установке. Результаты численной реализации модели согласуются с экспериментальными данными. Среднее расхождение результатов с

доверительной вероятностью 0.95 не превышает 17%, что вполне приемлемо для инженерной практики.

Перевод резервуарных установок с режима искусственной на режим комбинированной регазификации позволяет снизить расход энергоносителей на регазификацию СУГ до 60%, при этом дополнительные капитальные вложения окупаются в течение 1-1,5 лет.

5. Разработана математическая модель тепловых режимов эксплуатации бытовых газовых приборов при реализации схемы с комбинированной регазификацией СУГ. Отличительной особенностью модели является учет переменного состава СУГ, подаваемого в приборы в процессе эксплуатации резервуарной установки сжиженного углеводородного газа.

Установлено, что изменение компонентного состава СУГ при соответствующей динамике плотности сжиженного углеводородного газа и его давления перед прибором обусловливает диапазон колебания тепловых нагрузок до 2-2,5% (саморегулирование системы газоснабжения) и полностью удовлетворяет нормативным требованиям к взаимозаменяемости горючих газов. Перспективами дальнейшей разработки темы следует считать исследования, направленные на повышение эффективности систем снабжения сжиженным углеводородным газом в части снижения потребления энергетических ресурсов при регазификации СУГ в самих расходных емкостях.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кузнецов С.С. Разработка математической модели комбинированной регазификации сжиженного углеводородного газа [Текст] / С.С. Кузнецов, Б.Н. Курицын, H.H. Осипова // Вестник СГТУ. - №4 (59). - Саратов: СГТУ, 2011.-С. 218-224.

2. Кузнецов С.С. Экспериментальное исследование эксплуатационных параметров комбинированной схемы регазификации сжиженного газа [Текст] / Б.Н. Курицын, H.H. Осипова, С.С. Кузнецов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. - 2014. - № 1 (33). - С. 28-34.

3. Кузнецов С.С. Определение эксплуатационных параметров резервуарных установок при комбинированной регазификации сжиженного углеводородного газа [Текст] / Б.Н. Курицын, H.H. Осипова, С.С. Кузнецов // Научный вестник Воронежского ГАСУ.-2015.-№3(39).-С. 11-16.

Статьи в других изданиях:

4. Кузнецов С.С. Резервуарные системы снабжения сжиженным газом с комбинированным отбором жидкой и паровой фаз [Текст] / С.С. Кузнецов, Б.Н. Курицын, H.H. Осипова // Вестник строительства и архитектуры. - Орел: ОрелГАУ, 2010. - С. 352-356.

5. Кузнецов С.С. Исследование тепломассообмена в подземных резервуарах сжиженного газа [Текст] / С.С. Кузнецов, Б.Н. Курицын // Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сб. науч.

тр. по материалам второй Всероссийской научно-практической конференции. -Саратов: СГТУ, 2012. - С. 213-215.

6. Кузнецов С.С. Ресурсосберегающие системы резервуарного снабжения сжиженным газом [Текст] / С.С. Кузнецов, Б.Н. Курицын // XXV Международная научная конференция ММТТ-25. - Саратов: СГТУ, 2012. -С. 145-146.

7. Кузнецов С.С. Использование комбинированной регазификации сжиженного газа для повышения экономичности эксплуатации резервуарных систем газоснабжения [Текст] / С.С. Кузнецов, Б.Н. Курицын, H.H. Осипова // VIII Международная научно-практическая конференция. - Чехия, Прага: 2012. - С. 108-111.

8. Кузнецов С.С. Повышение энергоэффективности установок искусственной регазификации сжиженного газа [Текст] / С.С. Кузнецов, Б.Н. Курицын // Участники школы молодых ученых и программы умник. XXV Международная научная конференция ММТТ-26. - Саратов: СГТУ, 2013. - С. 218220.

КУЗНЕЦОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ РЕЗЕРВУАРНОГО СНАБЖЕНИЯ СЖИЖЕННЫМ УГЛЕВОДОРОДНЫМ ГАЗОМ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертащш на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.10.2015 Бум. офсет. Тираж 120 экз.

Усл. печ. л. 1,0 Заказ 126

Формат 60x84 1/16 Уч.-нзд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

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