Повышение эффективности снабжения сжиженным газом от резервуарных установок с естественной регазификацией

Актуальность. Сжиженные углеводородные газы (СУГ) получили широкое распространение как источники газоснабжения городов и сельских населенных пунктов Российской Федерации, удаленных от магистральных газопроводов природного сетевого газа.

В настоящее время в Российской Федерации сжиженным углеводородным газом газифицировано 11.6 тыс. квартир, в том числе 9.3 тыс. квартир в сельской местности, что составляет 29.8% всего газоснабжаемого населения и 80% газоснабжаемого населения в сельской местности [78].

Наиболее эффективную форму снабжения потребителей сжиженным углеводородным газом обеспечивают групповые резервуарные установки [30,35,87,105,111,112,122].

В современной практике газовых хозяйств Российской Федерации находится в эксплуатации свыше 30 тыс. подземных резерву арных установок с общим числом резервуаров различного объема около 75 тыс. Подавляющее большинство групповых резервуарных установок работают с естественной регази-фикацией сжиженного газа, используя природное тепло грунта и только 4 тыс. групповых резервуарных установок оснащены специальными устройствами для искусственной регазификации продукта [78].

Столь широкие масштабы использования резервуарных установок с естественной регазификацией (РУЕР) СУГ обусловливаются их техническими и технико-экономическими преимуществами:

— отсутствие необходимости в специальном теплоносителе для регазификации сжиженного газа;

— отсутствие необходимости в установке дорогостоящей автоматики безопасности и регулирования процессов испарения;

— простота монтажа и эксплуатации резервуарных установок;

— относительно небольшие капитальные вложения в сооружение резервуарных установок и др.

В то же время, ряд нерешенных в настоящее время вопросов и, в первую очередь, отсутствие научно обоснованных методов расчета и проектирования групповых резервуарных установок, а также предупреждения ледяных и гид-ратных пробок при эксплуатации в холодный период времени года в значительной степени снижают экономичность и надежность существующих резервуарных установок СУГ. Необходимость и первостепенная значимость решения указанных вопросов определяет актуальность данной диссертационной работы.

Представленная работа выполнялась в Саратовском государственном техническом университете на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» в соответствии со следующими планами и программами:

— по плану гранта Министерства образования России за 1998;1999 годы, раздел С-098, направление 06, проект «Разработка методов экономии природного газа при создании децентрализованных источников и систем энергоснабжения малых промышленных предприятий и населенных пунктов» ;

— по хоздоговору НТП «Волга-техника» СГТУ «Разработка рекомендаций по определению паропроизводительности подземных резервуаров сжиженного газа» ;

— по тематическому плану научно-исследовательской работы «Разработка физико-математических моделей гидратообразования в системах снабжения сжиженным газом», СГТУ-361;

— по тематическим планам научно-исследовательских работ, освоения новой техники и внедрения новой технологии ОАО «Росгазификация» (19 981 999 годы).

Цель работы — повышение экономичности и надежности снабжения потребителей сжиженным газом от резервуарных установок с естественной рега-зификацией, которое реализуется путем разработки методики расчета паропроизводительности групповых резервуарных установок, оптимизации схемно-параметрических решений, исследования процессов дросселирования и предупреждения гидратообразования в редуцирующих головках подземных резервуаров и базируется на разработке новых технических решений в области ре-зервуарного снабжения сжиженным углеводородным газом.

Задачи исследования:

— разработка математической модели теплового взаимодействия резервуаров сжиженного газа с грунтом при групповом размещении;

— обоснование схемно-параметрических решений подземных резервуарных установок с естественной регазификацией;

— применение основ электротепловой аналогии для исследования взаимного теплового влияния резервуаров с естественной регазификацией при их групповой установке;

— разработка математической модели процесса дросселирования влажного газа в регуляторах давления резервуарных установок с естественной регазификацией;

— исследование процесса теплообмена между грунтом и паровой фазой сжиженного газа в подземном резервуаре;

— разработка нового метода предупреждения гидратообразования в редуцирующих головках подземных резервуаров с естественной регазификацией;

— разработка методики расчета оптимальной теплозащиты редуцирующих головок резервуарных установок с естественной регазификацией сжиженного углеводородного газа.

Научная новизна:

1. Математическая модель теплового взаимодействия групповой резерву-арной установки с естественной регазификацией с грунтом при оснащении подземными резервуарами вертикального типа, комплексно учитывающая влияние конфигурации сосудов, наличие собственного температурного поля грунта, различие условий теплообмена на внутренних поверхностях резервуаров, контактирующих с паровой и жидкой фазами продукта.

2. Алгоритм определения паропроизводительности групповых РУЕР при вертикальном размещении сосудов в грунте, учитывающие взаимное тепловое влияние резервуаров, в зависимости от числа резервуаров в групповой установке и расстояния между ними.

3. Экономико-математическая модель оптимизации подземных РУЕР СУГ, позволяющая учитывать геометрические размеры и конфигурацию сосудов, их размещение на территории резервуарной установки, паропроизводительность и взаимное тепловое влияние.

4. Математическая модель процесса дросселирования влажного газа в регуляторах давления, учитывающая условия кристаллизации воды в регуляторах давления, особенности дросселирования бинарной смеси (пропан-бутан) и возможности безгидратной эксплуатации систем резервуарного газоснабжения.

5. Новый способ предупреждения гидратообразования в РУЕР СУГ, путем перегрева паров в расходном резервуаре и теплоизоляции трубопровода паровой фазы до регулятора давления.

6. Экономико-математическая модель оптимизации теплозащиты редуцирующих головок подземных резервуаров, позволяющая, в отличие от известных аналогов, определять оптимальную толщину тепловой изоляции дифференцированно для каждого элемента трубопроводной обвязки.

На защиту выносятся:

— результаты электротеплового моделирования взаимного теплового влияния подземных вертикальных резервуаров сжиженного газа при групповом размещении в грунте;

— алгоритм определения паропроизводительности групповых резервуарных установок с естественной регазификацией, оборудованных подземными резервуарами вертикального типа;

— результаты оптимизации схемно-параметрических решений подземных резервуарных установок с естественной регазификацией сжиженного углеводородного газа;

— математическая модель дросселирования влажного газа в регуляторах давления РУЕР;

— новый способ предупреждения гидратообразования в РУЕР путем перегрева паров в расходном резервуаре и тепловой изоляции трубопроводной обвязки редуцирующих головок;

— экономико-математическая модель оптимизации теплозащиты трубопроводной обвязки редуцирующих головок РУЕР.

Практическая ценность. Разработанные теоретические и практические положения обеспечивают повышение эффективности систем снабжения сжиженным углеводородным газом на базе подземных РУЕР продукта путем реализации и внедрения: рекомендаций по определению паропроизводительности групповых резерву арных установок СУ Галгоритма и программы расчета коэффициента тепловой интерференции при групповом вертикальном размещении резервуаров в грунтерекомендаций по оптимальному размещению резервуаров СУГ на территории резервуарной установкирекомендаций по оптимальному функционированию резервуарных установок, работающих на влажном газекомплекса мероприятий по предупреждению гидратообразования в редуцирующих головках подземных РУЕРалгоритма и программы выбора оптимальной толщины теплоизоляции трубопровода паровой фазы, обеспечивающей безгидратную эксплуатацию РУЕР СУГ вертикального типа.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

— на ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (г. Саратов, 1998, 1999, 2000);

— на международной научно-практической конференции «Современное строительство» (г. Пенза, 1998);

— на научно-техническом совете АК «Росгазстрой» (г. Москва, 1999).

— на международной научно-практической конференции «Строительство-2000» (г. Ростов-на-Дону, 2000);

— на научной конференции Саратовского государственного аграрного университета им. Н. И. Вавилова (г. Саратов, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ [39−42,49,91].

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана обобщенная постановка задачи теплового взаимодействия вертикальных подземных резервуаров сжиженного углеводородного газа при групповом размещении в грунте и сформулированы теоретические предпосылки по реализации задачи методом электротепловой аналогии.

2. Экспериментальными исследованиями, проведенными на электрической модели, впервые получены значения коэффициента тепловой интерференции, а подземных вертикальных резервуарных установок СУГ в зависимости от их геометрических характеристик. Методом многоинтервальной квадратичной интерполяции найдено аппроксимирующее уравнение для определения коэффициента ос в зависимости от числа резервуаров в групповой установке и расстояния между сосудами. Среднее расхождение расчетных и экспериментальных значений коэффициента тепловой интерференции составляет 0.4% с доверительной вероятностью 95%.

3. Разработана экономико-математическая модель оптимизации схемно-параметрических решений подземных резервуарных установок с естественной регазификацией сжиженного углеводородного газа, комплексно учитывающая геометрические размеры и конфигурацию резервуаров СУГ, размещение резервуаров на территории резервуарной установки, паропроизводительность и взаимное тепловое влияние резервуаров друг на друга при их групповом размещении в грунте. Выявлены оптимальные расстояния между вертикальными подземными резервуарами сжиженного углеводородного газа при групповом размещении в грунте и соответствующие им оптимальные значения коэффициента тепловой интерференции аорГ Полученные численные значения коэффициента аор1 позволяют увеличить расчетную паропроизводительность групповых резервуарных установок на 9+26%. Доказана эффективность применения вертикальных резервуаров СУГ в групповых РУЕР. При этом обеспечивается снижение удельных капиталовложений на единицу паропроизводительности до 40%.

4. Разработана математическая модель дросселирования влажного газа в регуляторах давления, позволяющая, по сравнению с известными аналогами, комплексно учитывать: компонентный состав газа и его влагосодержание, степень сухости парожидкостного потока, температуру и давление СУГ, а также динамику указанных параметров в процессе дросселирования.

5. Теоретически и экспериментально доказано, что дросселирование насыщенных (перегретых) паров СУГ при условии их полного водонасыщения сопровождается увеличением влагоемкости газа, а дросселирование насыщенной парожидкостной смеси при условии ее полного водонасыщения сопровождается снижением влагоемкости потока с выделением в дросселирующем органе регулятора свободной воды с ее последующим замерзанием или образованием кристаллогидратов.

6. Разработана математическая модель теплообмена между паровой подушкой подземного резервуара и окружающим грунтом, комплексно учитывающая геометрические размеры резервуара, степень его заполнения газом, температурные условия эксплуатации, теплофизические характеристики грунта и другие определяющие факторы. Достоверность математической модели подтверждается результатами натурных испытаний подземного резервуара СУГ объемом 2.5 м3. Расхождение теоретических и экспериментальных значений не превышает 25.9% с доверительной вероятностью 95%.

7. Предложен метод и алгоритм предупреждения гидратообразования в редуцирующих головках подземных резервуаров, сочетающий в себе перегрев паровой фазы СУГ в резервуаре за счет теплоты окружающего грунтового массива и тепловую изоляцию трубной обвязки регуляторов давления.

8. Разработана экономико-математическая модель оптимизации тепловой защиты трубопроводной обвязки редуцирующих головок подземных резервуаров, позволяющая, в отличие от известных аналогов, определить оптимальную толщину тепловой изоляции дифференцированно для каждого элемента обвязки (подземный и наземный участки трубопровода, регулятор давления) для различных климатических зон России по критерию минимума капитальных затрат, с учетом ограничения по величине перегрева паров в расходном резервуаре.

9. Внедрение рекомендаций по повышению паропроизводительности групповых резервуарных установок и надежности газоснабжения за счет пре.

154 дупреждения гидратообразования в узле редуцирования, в практику проектных и эксплуатационных организаций России способствует улучшению структуры и параметров систем газоснабжения, повышает уровень инженерного сервиса и обеспечивает общий народнохозяйственный эффект в размере 2785.45 долл. на одну резервуарную установку.

ОБОБЩЕНИЕ, ВНЕДРЕНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Обобщение и оценка результатов исследований.

Обобщение результатов проведенных исследований включает оценку полноты решений поставленных в диссертационной работе задач, предложения по дальнейшим направлениям работ, оценку достоверности полученных результатов и их сравнения с аналогичными отечественными и зарубежными работами.

Проведем оценку полноты полученных решений в соответствии с основными задачами исследований, сформулированных во вводной части работы в последовательности, приведенной в алгоритме и структуре исследований (рис. 1.2).

1. Разработка математической модели теплового взаимодействия группы подземных резервуаров СУГ с грунтом.

В настоящее время для расчета теплообмена подземных вертикальных резервуаров СУГ с грунтом используются известные зависимости [47,128], согласно которым паропроизводительность резервуара сжиженного газа зависит от геометрического объема сосуда Ур, остаточного уровня заполнения резервуара газом ф, температурного напора между грунтом и сжиженным газом А1, теплофизических характеристик грунта X:

УрФ- А1- А.).

При групповом размещении резервуаров в грунте возникает их взаимное тепловое влияние, снижающее теплоприток к каждому резервуару и ко всей установке в целом. Поэтому при простом умножении паропроизводительности одиночного резервуара СУГ на их общее количество в группе, расчетное значение последней при групповом размещении подземных сосудов будет явно завышено.

Указанные зависимости [47,128] не отражают процесс тепловой интерференции и справедливы только для одиночных резервуаров СУГ.

Предложенная математическая модель позволяет определить паропроизво-дительность групповой установки СУГ с учетом взаимного теплового влияния резервуаров:

Огр^ (С>оп- а), где, а — коэффициент, учитывающий снижение теплопритока к каждому резервуару в групповой резервуарной установке.

При дальнейшей проработке математической модели путем введения ограничений и допущений: отсутствие теплообмена паровой фазы с грунтом (2.19) (малый перегрев паровой фазы по сравнению с теплотой регазификации) — температура внутренней поверхности стенки, соответствующей смоченной поверхности резервуара равна температуре кипящей жидкости (2.17) — замена естественного распределения температур в грунте на постоянное значение температуры на середине глубины заложения резервуара (2.21), модель была реализована в лабораторных условиях методом электротепловой аналогии.

Метод электротепловой аналогии с использованием электролитических ванн, широко применяется в современных исследованиях при определении теплопритока к подземным сооружениям сложной конфигурации, включающим в себя ряд однотипных элементов [7,70,87], позволяет решать задачи теплообмена в объемной постановке и обеспечивает высокую достоверность результатов.

В результате экспериментальных исследований впервые были получены значения коэффициента тепловой интерференции, а для групповых установок СУГ на базе подземных вертикальных резервуаров.

Результаты исследований могут быть использованы в теплотехнических расчетах подземных хранилищ бензина и других нефтепродуктов, подземных хранилищ сжиженного природного газа и в других теплотехнических задачах.

2. Обоснование схемно-параметрических решений подземных резервуарных установок СУГ В настоящее время для технико-экономической оценки резервуаров СУГ используются зависимости, представленные в [35,45,46,79,80]. Наиболее близкое решение для определения сравнительной эффективности вертикальных подземных резервуаров СУГ представлено в [46]. В качестве критерия оптимальности используется минимум целевой функции (капитальных вложений в резервуарную установку), в зависимости от конфигурации резервуаров (формфактора Ф):

3=f (0)=min.

Необходимо отметить, что модель [46] справедлива только для резервуаров-хранилищ СУГ и не учитывает возможности оптимизации схемно-параметрических решений резервуарных установок с естественной регазифика-цией СУГ.

Предложенная экономико-математическая модель позволяет выявить экономическую эффективность применения резервуарных установок, как источников снабжения потребителей СУГ по критерию минимума капиталовложений в сооружение групповой установки на единицу ее паропроизводительности:

KG = f (K-G) = f (O, S, Q0,n, a) = min.

Предложенная модель комплексно учитывает: геометрические размеры и конфигурацию резервуаров СУГ, размещение резервуаров на территории ре-зервуарной установки, паропроизводительность и взаимное тепловое влияние резервуаров друг на друга при их групповом размещении в грунте.

Согласно предложенной модели оптимизации схемно-параметрических решений резервуарных установок СУГ на базе подземных вертикальных резервуаров, минимум целевой функции Kg =min соответствует оптимальной конфигурации резервуаров ФорЬ оптимальному размещению резервуаров на территории резервуарной установки Sopt и оптимальным значениям коэффициента тепловой интерференции a opt.

3. Разработка математической модели процесса дросселирования влажного газа в регуляторах давления.

Устойчивая и безопасная эксплуатация резервуарных установок предъявляет повышенные требования к надежности работы редуцирующих устройств (регуляторов давления газа). Вместе с тем, как показывает практика, в холодный период года при работе на влажном газе, в элементах регуляторов образуются ледяные или гидратные пробки, которые вызывают перебои в газоснабжении.

Теоретические основы процесса дросселирования паровой фазы сжиженного газа в регуляторах давления резервуарных установок рассматриваются в работе Никитина Н. И., Крылова Е. В. [68]. Авторами предложено аналитическое решение связывающее температуру и давление дросселируемого потока ^ (Р) для СУГ однокомпонентного содержания (пропана или бутана), сформулированы термодинамические предпосылки образования гидратов в дросселирующих органах регуляторов при насыщении паров растворенной влагой.

В развитие теоретических положений предложена математическая модель дросселирования влагосодержащего СУГ в регуляторах давления (4.1−4.21) комплексно учитывающая компонентный состав газа и его влагосодержание, степень сухости парожидкостного потока, температуру и давление СУГ, а также динамику указанных параметров в процессе дросселирования:

Предложенная модель более полно отражает физическую картину процесса и обеспечивает большую достоверность аналитических расчетов.

4. Разработка методики расчета оптимальной теплозащиты редуцирующих головок подземных резервуаров сжиженного углеводородного газа.

Определению оптимальной толщины тепловой изоляции отдельных участков трубопроводов, транспортирующих горячую воду или пар посвящены многочисленные работы [8,34,102,126,131]. В данном случае оптимальному решению задачи соответствует минимум суммарных затрат, включающих в себя в капитальные вложения в сооружение тепловой изоляции и стоимость те-плопотерь теплоизолированного трубопровода.

Применительно к газопроводам транспортирующим перегретые пары сжиженного углеводородного газа вопросы определения оптимальных толщин тепловой изоляции отдельных его участков подробно рассмотрены в работе [74]. Здесь, также как и в предыдущих исследованиях, оптимальное решение получено для случая, когда для перегрева паров СУГ используется искусственный теплоноситель, получаемый за счет использования невозобновляемой энергии.

В то же время, данных об оптимизации тепловой изоляции различных участков трубопроводной обвязки в условиях перегрева паров СУГ за счет тепла окружающей среды, когда затраты на тепловую энергию отсутствуют в известной литературе не обнаружено.

Предложенная модель оптимизации тепловой защиты трубопроводной обвязки редуцирующих головок подземных резервуаров в отличие от известных решений позволяет определить толщину изоляции трубопровода паровой фазы, состоящего из п участков, с учетом того обстоятельства, что толщины изоляции на каждом участке не являются независимыми переменными, а связаны между собой дополнительным уравнением — ограничением по величине заданного перегрева паров <3Пер, а также ограничениями конструктивного характера, исходя из особенностей расположения изолируемых участков:

К = Д5т.и.15ТИ25ТИз) = тшф (8т.и.А.и.А.и.3) = 0- тт ^ gopt^шах т.и.".

Нахождение экстремума целевой функции в условиях заданных ограничений реализуется методом Лагранжа. Реализация предложенной модели оптимизации тепловой защиты трубопроводной обвязки по сравнению с аналогичными решениями обеспечивает значительное снижение расхода теплоизоляционного материала и денежных средств.

Внедрение результатов исследований.

Результаты исследований по повышению паропроизводительности групповых резервуарных установок сжиженного углеводородного газа, полученные в главах 2 и 3, включены в окончательную редакцию Свода Правил СП 42−101−00 по разделу 7 «Резервуарные и баллонные установки СУГ» пункт 7.3 в виде таблицы, устанавливающей требования по выбору коэффициента тепловой интерференции (теплового взаимодействия подземных резервуаров СУГ, расположенных в группе).

Для определения паропроизводительности групповой установки следует умножить значение паропроизводительности для одиночного резервуара СУГ, полученное по номограмме СП 42−101−00 [91], на число резервуаров в групповой установке и величину коэффициента тепловой интерференции приведенную в табл. 1.