Материал: Моделирование и обоснование резервуарных систем снабжения сжиженным газом с перегревом паров в трубчатых грунтовых теплообменниках. Максимов С.А., Курицын Б.Н

женным газом на основе перегрева паров в трубчатых грунтовых теплообменниках; в работе [5] приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса дросселирования влагосодержащего сжиженного газа в регуляторах давления резервуарных установок.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 92 наименований

и4 приложений. Общий объем работы 183 страницы, включая 15 таблиц

и24 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Впервой главе приводится анализ литературных источников, освещающих проблему предупреждения кристаллизации влаги в системах газоснабжения. Вопросу предупреждения образования ледяных и гидратных пробок в системах газоснабжения посвящены многочисленные публикации в отечественной и зарубежной литературе. Наиболее полно и обоснованно данные вопросы решены в системах добычи и распределения природного газа.

Вто же время, применительно к системам газоснабжения на базе сжиженного углеводородного газа, представленная в литературе информация носит фрагментарный, часто противоречивый характер и требует критического анализа и дополнительных исследований.

По результатам проведенного анализа выявлены количественные закономерности растворения воды в паровой и жидкой фазах индивидуальных углеводородов (пропана и бутана) и условия ее кристаллизации в регуляторах давления резервуарных установок.

Установлено, что наличие (отсутствие) твердой фазы воды в дросселирующих органах регуляторов давления зависит от структуры дросселируемого потока:

- дросселирование насыщенных (перегретых) паров СУГ при условии их полного водонасыщения сопровождается увеличением влагоемкости газа. Отсутствие в потоке свободной воды исключает образование ее твердой фазы (льда или гидратов);

- дросселирование насыщенной жидкости (парожидкостной смеси) сопровождается снижением влагоемкости потока. Как следствие, в дросселирующем органе регуляторе (сопло и зазор между соплом и клапаном) выделяется свободная вода, которая при соответствующих условиях (температура

идавление СУГ) замерзает, или образует гидраты.

Достаточно простое и надежное решение задачи предупреждения кристаллизации влаги в дросселирующих органах регуляторов давления обеспе-

6

чивает технологическая схема перегрева паровой фазы СУГ в трубчатых грунтовых теплообменниках, использующих природную теплоту грунтового массива (рисунок 1). Новизна и оригинальность схемы защищена патентом на изобретение.

Рисунок 1. Принципиальная схема снабжения сжиженным газом от подземной резервуарной установки с перегревом паров в трубчатом грунтовом теплообменнике:

1 - подземный резервуар; 2 - трубопровод паровой фазы СУГ; 3 - вентиль; 4 - трубчатый грунтовый теплообменник; 5 - шкафной газорегуляторный

пункт; 6 - регулятор давления; 7 - газопровод низкого давления; 8 - тепловая изоляция; 9 - защитный кожух резервуара

Схема работает следующим образом. Паровая фаза СУГ отбирается из расходного резервуара 1 с помощью внутренней газоотводящей трубы 2 и подается в грунтовый теплообменник 4, выполненный из стального трубопровода, проложенного по контуру котлована резервуарной установки. Для отключения грунтового теплообменника используется вентиль 3. Перегретые пары СУГ по восходящему участку грунтового теплообменника поступают в шкафной газорегуляторный пункт 5. Редуцирующий узел шкафного ГРП комплектуется на базе газового оборудования типового газорегуляторного пункта ГРПШ-6 (6). Пройдя узел редуцирования, паровая фаза СУГ поступает в трубопровод потребителя 7. Для уменьшения теплопотерь восходящий участок грунтового теплообменника, а также шкаф для узла редуцирования теплоизолируются пенополиуретаном.

7

Практическая реализация схемы требует разработки научно обоснованных методов расчета конструктивных параметров и рациональных режимов ее эксплуатации. Указанное обстоятельство обусловливает необходимость изучения процессов теплообмена между грунтом и технологическими элементами схемы по комплексу: подземный резервуар - грунтовый теплообменник - узел редуцирования давления газа.

Во второй главе приводятся результаты теоретических исследований теплообмена в подземных резервуарных установках сжиженного газа.

Вопросы теплообмена в подземных резервуарных установках рассматриваются в работах многих отечественных и зарубежных авторов. Наиболее близкими и обоснованными представляются решения задачи, приведенные в работах Б.Н. Курицына, Н.И. Никитина и О.Б. Шамина. Однако указанные решения получены при отсутствии теплообмена паровой подушки резервуара с окружающим грунтовым массивом и атмосферным воздухом. В известной мере, указанное допущение может быть оправдано при эксплуатации резервуарной установки в режиме регазификации сжиженного газа, когда температура жидкой фазы СУГ поддерживается ниже температуры грунта и наружного воздуха. При этом выходящие из резервуара перегретые пары при дросселировании в регуляторе давления не вызывают кристаллизации растворенной влаги.

При эксплуатации в режиме хранения сжиженного газа (при отсутствии или небольшом газопотреблении) резервуарная установка работает при повышенной температуре хранимого газа.

При этом полученные в резервуаре пары частично отбираются потребителем, а частично конденсируются в верхней части резервуара за счет теплообмена паровой подушки с более холодными слоями грунта и атмосферным воздухом.

Выходящие из резервуара насыщенные пары под воздействием низких температур наружного воздуха частично конденсируются в трубопроводной обвязке регулятора давления. Последующее дросселирование парожидкостной смеси вызывает кристаллизацию растворенной влаги (образование ледяных или гидратных пробок).

Расчетная схема задачи теплового взаимодействия подземного вертикального резервуара с окружающим грунтом и наружным воздухом приводится на рисунке 2.

Используя принцип квазистационарных тепловых состояний, широко применяемый при решении задач теплообмена в подземных сооружениях, математическую постановку задачи можно сформулировать в виде следующей системы уравнений:

а) дифференциальное уравнение температурного поля грунта

Рисунок 2. Расчетная схема теплового взаимодействия подземного резервуара сжиженного газа с грунтовым массивом и наружным воздухом

б) граничные условия:

-на внутренней поверхности резервуара в грунтовом массиве при y→∞

иr→∞

Для решения задачи воспользуемся методом тепловых источниковстоков и суперпозиции (наложения) температурных полей.

Заменим сложное температурное поле в грунтовом массиве суммой более простых температурных полей:

-первое поле - собственное температурное поле грунта, которое генерирует по глубине заданное распределение температур te(y);

-второе поле, которое возбуждает в массиве с нулевой температурой

поверхности система точечных тепловых источников интенсивностью Qi,

где i = 1,2, … n.

9

Результирующее температурное поле в точке M массива с координатами yм и rм описывает следующая температурная функция:

где yi; ri = 0 - координаты i-го теплового источника.

Температурная функция (7) отвечает уравнению Лапласа (1) и граничным условиям задач (3) и (4).

Для выполнения граничного условия (2) возьмем на контуре, соответствующем поверхности резервуара, n точек с координатами yм и rм при

М= 1,2, … n и положим в уравнении (7) tм=tж.

Врезультате получим систему из n линейных уравнений с n+1 неиз-

вестными Qi; tж.

Замыкающее уравнение согласно (5) имеет следующий вид:

i 1

где G - расход паровой фазы СУГ.

В том числе при отсутствии отбора паров:

i 1

Аналогично при отсутствии теплопотерь через надземную часть горловины и фланец распределительной головки резервуара:

i 1

Приведенная математическая модель (1)-(10) удобна для программирования и успешно реализуется на ПЭВМ. Программное обеспечение приводится в приложении к диссертации.

Аналогичное решение получено для подземного резервуара сжиженного газа с горизонтальным размещением в грунте.

Втретьей главе приводятся результаты теоретических исследований теплообмена в трубчатых грунтовых пароперегревателях сжиженного газа.

Особенности теплопередачи в трубчатых грунтовых теплообменниках сжиженного газа широко освещаются в известной литературе (Б.Н. Курицын, А.П. Усачев, В.П. Богданов, А.Н. Юшин, М.В. Павлутин и др.).

Вкачестве исходной предпосылки при постановке задачи авторами используется допущение, что грунтовый теплообменник удален на достаточно большое расстояние от расходного резервуара, вследствие чего тепловой режим его эксплуатации формируют внутренняя среда (жидкая фаза СУГ) с заданной температурой кипения и окружающий грунтовый массив, имеющий собственное температурное поле.

При расположении грунтового теплообменника в непосредственной близости от расходного резервуара (например, при прокладке трубопровода по контуру котлована) и его использовании в условиях перегрева паровой

10