shkolaput.ru 1 2 3


На правах рукописи


Усачев Максим Александрович


ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

ПОДЗЕМНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ-ИСПАРИТЕЛЕЙ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА,

ЗАКЛЮЧЕННЫХ В ПОЛИМЕРНЫЙ ФУТЛЯР


Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика


Автореферат


диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Саратов 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»




Научный руководитель – доктор технических наук

Шурайц Александр Лазаревич


Официальные оппоненты: Щелоков Анатолий Иванович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»,

заведующий кафедрой «Промышленная
теплоэнергетика»


Родин Артур Константинович,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», профессор кафедры «Теплотехника,

теплогазоснабжение и вентиляция»


Ведущее предприятие: ОАО «ВНИПИгаздобыча», г. Саратов


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


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


Автореферат разослан « 23 » марта 2012 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Е.А. Ларин

Общая характеристика работы

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

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

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

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

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


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

Задачи исследований:

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы:


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

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

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

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


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

Основные положения, выносимые на защиту:


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

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

  • математическая модель теплообмена ПВРИ в полимерном футляре;

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

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

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

Практическая ценность:

1. Предложенная конструкция ПВРИ СУГ по повышению безопасности и энергоэффективности путем заключения вертикального резервуара с уложенным на его наружную поверхность ЭНК в подземный футляр защищена патентами № RU 2187037 U1, № RU 18564 U1 и положительным решением на выдачу патента по заявке № 2011147259 с приоритетом от 21.11.2011 г.

2. Результаты исследований использовались при разработке: стандарта СТО 03321549-001-2008 «Рекомендации по обоснованию комплексной защиты и оптимизации полимерного футляра для резервуара сжиженных углеводородных газов» / ОАО «Гипрониигаз». Саратов, 2008. 18 с.; стандарта СТО 03321549-004-2010 «Технические решения по применению комплексной защиты вертикальных резервуаров испарителей сжиженного углеводородного газа путем заключения в полимерные футляры». ОАО «Гипрониигаз». Саратов, 2010. 12 с.


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

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

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

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

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

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

frame1

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

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


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

Здесь постоянный автоматический контроль возможности утечек и сигнализация осуществляются с помощью датчика 8, сигнализатора 13 и двухпозиционного прибора контроля давления 14, который настроен: по своей верхней позиции на срабатывание при давлении в размере Рр + Р больше расчетного Рр на величину его допустимого повышения Р за счет утечек СУГ в межстенное пространство при разгерметизации стенок внутреннего сосуда 1, регулирующей 11 и запорной арматуры 12; по своей нижней позиции на срабатывание при давлении в размере Рр – Р меньше расчетного Рр на величину его допустимого понижения Р за счет утечек инертного газа 6 или инертной жидкости 4 из межстенного пространства в окружающую среду при разгерметизации стенок полимерного футляра 3. При повышении давления в межстенном пространстве больше его допустимого значения Р осуществляются сброс утечек СУГ через клапан 16 и их рассеивание в наружном воздухе.


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

По результатам разработок и исследований по безопасности и энергоэффективности ПВРИ подготовлен и введен в действие стандарт СТО 03321549-004-2010 «Технические решения по применению комплексной защиты вертикальных резервуаров-испарителей сжиженного углеводородного газа путем заключения в полимерные футляры».



следующая страница >>