CC BY
27
У статтi наведено результати дослиджень змти температури газу при заповнент емностей, виконаних у виглядi довгомiрних труб, для рiз-них варiантiв реалiзацii процесу. Встановлено, що особливою нерiвномiрнiстю температурн проце-си характеризуються на вхiднiй дшянщ в початко-вий перюд заповнення. Для глибшого аналiзу наяв-них процеыв необхiднi подальшi дослидження змти температури газу при розвантаженн емностей
Ключовi слова: стиснутий природний газ, дов-гомiрна труба, iмiтацiйне моделювання, змта
температури газу
□-□
В статье приведены результаты исследований изменения температуры газа при заполнении емкостей, выполненных в виде длинномерных труб, для различных вариантов реализации процесса. Установлено, что особой неравномерностью температурные процессы характеризуются на входной области в начальный период заполнения. Для более глубокого анализа существующих процессов обходимо дальнейшие исследование изменения температуры газа при разгрузке емкостей
Ключевые слова: сжатый природный газ, длинномерная труба, имитационное моделирование, изменение температуры газа
УДК 622.691.4
|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.27995
ДОСЛ1ДЖЕННЯ УМОВ ЕКСПЛУАТАЦП
емностЕй,
ВИКОНАНИХ У ВИГЛЯД1 ДОВГОМ1РНИХ ТРУБ
А. П. Джус
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра нафтогазового обладнання* E-mail: [email protected] О. М . Суса к Кандидат техшчних наук Кафедра транспорту i збер^ання нафти i газу* E-mail: [email protected] *1вано-Франмвський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i газу вул. Карпатська, 15, м. 1вано-Франмвськ, УкраТна, 76019
1. Вступ
На сьогодш досвщ транспортування газу в стиснутому сташ починав накопичуватись в окремих куточ-ках планети. Аргентинська фiрма Galileo використовув газовi контейнери високого тиску для газопостачання у ri вщдалеш райони держави, куди прокладати га-зопроввд економiчно недощльно. Ця технолопя отри-мала назву <^ртуальна труба» i показала дуже добрi практичш результати [1].
В той же час енергетична компанп Centrica, за-ревстрована у Великобританп, планув першою у свт реалiзyвати на практищ проект поставок стиснутого природного газу (CNG) морським транспортом [2]. Ви-користовувати судна CNG Centrica планув для поставок газу з Карибського острова Тобаго в Пуерто-Ржо i Домшжанську Республжу для переведення мшцевих електростанцш на газове паливо.
В якосп можливих учасниюв проекту поставок стиснутого газу на суднах CNG спецiальноï конструк-цп розглядаються двi компанп з Калгарi (Канада) -Grantech Engineering, що просував технологiю транспортування газу компанп Neptune Gas Technologies (NGT), i Sea NG - розробник i власник запатентова-toï технологи морського транспортування стиснутого природного газу.
Neptune Gas Technologies (NGT) - це компашя, яка успадкувала ва напрацювання i активи в галyзi технологи CNG вщ компанп TransCanada. Для зберiгання та транспортування CNG вона використовув сталевi
eMHOCTl ВИСОКОГО ТИСКу 13 ЗОВШШНШ КОМПОЗИТНИМ П1Д-
силенням (CRPVs).
Sea NG в союз1 з Marubeni Corp, Teekay i Enbridge прОсувае iдею морського транспОртування стиснутОГО прирОдНОГО газу, викОристОвуючи для цього встанов-люванi на бОрту судна спiралеподiбнi емностi великО1 мiсткостi власнО1 рОзрОбки (Coselle).
ЗагалОМ прО МОрське транспОртування CNG гово-рять вже протягом б^ьше 10 рокiв, але, незважаючи на ентузiазм розробникiв i велику юльюсть проектiв, перше судно CNG доа не побудоване. З цього випли-вае, що при впленш проектiв морського транспортування CNG розробники зустрiчаються з проблемами, як виникають на стадii реалiзацii проекпв.
2. Лiтературний огляд та постановка проблеми
З метою виявлення можливих проблем при реаль зацп проекпв та причин 1х виникнення, проведемо короткий аналiз пропонованих конструкцiй систем для транспортування стиснутого газу та, зокрема, емностей для збертння газу з ощнкою 1х ввдповвдност наявним технологiчним процесам.
Вiдома система для транспортування стиснутого газу [3], що включае судно, у ввдсжах якого розташо-ванi вертикально встановлеш взаемопов'язанi газовi емностi. Газовi емност виконанi зi сталево! труби з сферичними кришками на обох кшцях. У кожному вiдсiку мiститься вщ 3-х до 30-ти взаемопов'язаних
©
емностей, приеднаних до одного регулюючого клапана вщачним трубопроводом. У свою чергу, регулюючi клапани кожного вiдсiку промiжним трубопроводом з'еднанi з головним трубопроводом, який мштить засо-би тд'еднання до берегових термiналiв. Проте зазна-чене судно мае низку недолтв, серед яких постiйне зменшення обсягу газу у газових емностях внаслщок утворення всередиш труб конденсату в процес транс-портування газу при змт температури навколишньо-го середовища.
Усунення цього недолiка запропоноване в [4] шляхом виконання емностей для збертння стиснутого газу у виглядi пакета труб однакового дiаметра, розта-шованих пiд кутом до горизонту i з'еднаних з висхщно-го кiнця труб загальним колектором для закачування i вiдкачування газу, а з боку спадного кшця труб -загальним колектором для накопичення конденсату, що утворюеться в трубах в процеа транспортування стиснутого газу.
Ще одним недолiком вказано! вище конструкцп е складнiсть взаемозв'язку мiж трубопроводами i системою клапанiв за наявност велико! кiлькостi окремих емностей на борту транспортного судна. При цьому не пльки ускладнюеться конструкцiя, а й значно зростае варпсть судна в щлому.
Альтернативним варiантом за необхiдностi транспортування значно'! юлькост стиснутого газу е вико-ристання систем, що мштять великi емностi, утворенi бухтами згорнуто! безперервно! труби [5]. Застосуван-ня довгих вiдтинкiв труби для збер^ання газу значно знижуе витрати на спещальну арматуру та спрощуе процес !х заповнення. Безперервна труба вкладаеться в контейнер^ який може виконувати деюлька функцiй: використовуватись в якост поворотного пристрою для навивки труби, служити засобом тдйому та захисту вщ навколишнього середовища.
Ще один варiант системи зберiгання газу, вико-нано! у виглядi безперервно! труби, укладено! в контейнера запропонований вiтчизняними авторами. Згiдно [6] споиб морського транспортування стиснутого природного газу передбачае розташування емностей з газом всередиш стандартних морських контейнерiв, як разом утворюють CNG-модулi, за-крiпленi на морському транспортному засобь Опе-рацii завантаження-розвантаження газу здшснюють через систему трубопроводiв, яю зв'язують CNG-мо-дулi мiж собою i з пунктами завантаження або ро-звантаження. При цьому CNG-модулi залишають нерухомими i не перемщують з контейнеровоза на причал.
Автори [7] запропонували утворити трубопровщ з послщовно з'еднаних модулiв, розмiри яких ст-впадають з розмiрами морських контейнерiв. Вони закрiплюються на морському транспортному засобi i мiстять компактно розташовану стандартну довгомiр-ну трубу високого тиску.
У запропонованих на сьогодш конструкщях вра-ховувались рiзноманiтнi технолопчш особливостi притаманнi транспортуванню стиснутого газу. Од-нак, однiею з серйозних i малодослiджених проблем е поведшка елементiв вантажно! системи в процес заповнення i зокрема при виконанш !! у виглядi дов-гомiрноi труби високого тиску. Особливо! актуаль-ностi це питання набувае зважаючи на можливу нерiв-
номiрнiсть температури газу по довжиш емностей виконаних у виглядi довгомiрних труб.
3. Мета i задачi дослiдження
Метою дано! роботи е дослiдження переб^у про-цесiв, якi вiдбуваються в емностях, виконаних у ви-глядi довгомiрних труб, при !х заповненш.
Для досягнення ще! мети необхвдно:
- встановити варiанти реалiзацii безпосередньо процесу заповнення емностей газом та !х параметри;
- дослiдити характер змши температури газу на лшшних дiлянках емностей, виконаних у виглядi довгомiрних труб, за рiзних параметрiв процесу за-повнення.
4. Дослiдження змши температури газу в процеа заповнення емностей, виконаних у виглядi довгомiрних труб та обговорення результатiв
За результатами теоретичних та експерименталь-них дослщжень процесу заповнення емностей, виконаних у виглядi цилiндричного балона, авторами [8] встановлено, що зменшення температури газу внасль док рiзкого його розширення присутне в початковий нетривалий момент часу, а загальний вплив змен-шення температури газу е таким, що не призводить до зменшення температури стшки емность В процесi подальшого заповнення емност температура газу i, вiдповiдно, стшок зростае, але не е однаковою по !! довжинi.
У робот [9] авторами здiйснено оцiнку ефектив-ностi моделей, що базуються на використанш рiзних рiвнянь стану газу, з метою прогнозування розпод^у тиску, температури та витрати при заповненш газопроводу. Результати дослщжень показали, що най-бшьше на точшсть моделi впливае коефiцiент тертя, а вибiр рiвняння стану практично не мае впливу на яюсть результапв.
Зважаючи на отриманi у розглянутих роботах результати, використаемо для прогнозування розпод^у температури по довжиш емностей, виконаних у ви-глядi довгомiрних труб, методику, описану у [8].
Як базовий варiант для виконання теоретичних до-слiджень з використанням iмiтацiйного моделювання розглянемо довгомiрну трубу, придатну до монтажу на найпростшому морському транспортному засобi -баржi [10]. З врахуванням геометричних параметрiв попередньо вибрано! баржi та особливостей монтажу довгомiрноi труби встановлеш основнi !! параметри. При цьому 15-ть лiнiйних дiлянок, виконаних iз труби дiаметром 720 мм, з'еднуються колшами складено! конструкцп iз труб дiаметром 620 мм. Довжина лшш-но! дiлянки становить 30 м, а колша по його оа - 1,26 м. Загальний вигляд частини емносп, виконано! у вигля-дi довгомiрноi труби, наведений на рис. 1.
В загальному випадку процесу заповнення емностей вантажних систем суден CNG передують етапи збору газу та комплексно! його тдготовки (рис. 2). З врахуванням особливостей умов окремих проекпв необхщно передбачати два варiанти реалiзацii без-посередньо процесу заповнення емностей газом. За
наявност1 тиску дже-рела постачання газу значно б1льшого, н1ж тиск «порожньо!» ем-ност1, перший етап за-повнення в1дбуваеть-ся без використання компесор1в. По м1р1 вир1внювання тиску джерела газу 1 тиску в емност1, швидк1сть заповнення змен-шуеться 1 виникае не-обх1дн1сть введения в дш компресор1в. За малих тисов джере-ла постачання газу процес заповнення емностей вщ початку реал1зуеться з вико-ристанням компре-сор1в. Тому в процес1 дослщжеиь иеобхщио розглядати обидва ви-падки.
Рис. 3. Змша температури газу по середин непарних лiнiйних дiлянок (ЛД) довгомiрноí труби при ТТ заповненш впродовж однieí години
Анал1зуючи отримаш результати сл1д зазиачити, що характер змши температури газу на вщповщиих лшшиих дшяиках е аиалопчиим для вс1х розгляиутих випадк1в. Окремо! уваги заслуговуе змша температури на перших п'яти лшшиих дшянках, а особливо першш-третш. Перетии граф1к1в змши температури засвщчуе иерiвиомiриiсть иагрiваиия газу, а отже 1 самих лшшних д1ляиок. Р1зииця температури газу иа окремих дшяиках довгом1рио! труби призводить до р!зних температуриих видовжеиь. Шдвищення температури газу в кшцевому результатi зумовлюе зм1иу иапружеио-деформоваиого стану елеменив емиостi, яка заповиюеться газом. Особливо! уваги цей факт вимагае з огляду иа паралельие розмщення окремих дшяиок емиост для траиспортуваиия газу.
Наступи дослiджеиия проведеиi для випадку заповнення емност! з використаииям компресор!в. З метою детального анал!зу та подальшого визиачеиия р1вия впливу умов експлуатацп иа напружено-дефор-моваиий стаи окремих елемеитiв, визиачеио температуру иа середиш кожио! 1з 15-ти л1и1йиих д1ляиок. Процес заповиеиия при цьому тривав протягом 6-ти годии. Для спрощеиия анал!зу масив от-риманих результатов наведено на рис. 7 у вигляд! д!аграми.
Аиалiзуючи подаиу iиформацiю необхщ-ио в1дм1тити, що стрiмке шдвищення температури в мрш1 30 хвилии присутие иа пер-шш д1ляиц1. Це пiдвищеиия спостерiгаеться впродовж перших двох годин, а в подальшо-му температура практично стабтзуеться иа певиому р1вш. В той же час температура газу иа другш дшяищ зростае меиш штеисив-ио i це зростаиия тривае впродовж зиачио 61льшого перiоду часу. Зиижеиия штенсив-иост1 зростаиия температури спостертаеть-ся ще иа чотирьох лшшних дшяиках. Ус1
Рис. 1. Загальний вигляд частини емносп, виконаноТ у виглядi довгомiрноТ труби
Також важливим моментом при заповненш емносп е безпосередиьо тривалють процесу. Визиачальиим чииииком при встаиовлеиш його тривалостi е продук-тиви1сть джерела постачаиия газу. Тому иами розгля-иуто варiаити заповиеиия емносп, викоиаио! у вигляд1 довгом1рио! труби, впродовж 1, 3, 6 та 12 годии. Для умов п заповиеиия в два етапи (шд тиском джерела газу i компресора), отримаио результати, наведеш иа рис. 3-6.
Рис. 2. Схема реалiзацiТ процесу пщготовки газу та заповнення емностей вантажних систем
наступн1 дыянки характеризуються практично од-наковою штенсивнютю зростання температури, що шдтверджуеться залежностями, наведеними на рис. 8.
Для детальн1шого анал1зу особливостей змши температури газу на першш 1 другш лшшних дыян-ках довгом1рно! труби на рис. 9 наведено залежност1, що характеризують змшу температури газу на середин вказаних дыянок у процес 11 заповнення.
Як бачимо в початковий момент заповнення температура газу на середин! першо! лшшно!
дшянки е вищою на 6 °С, н1ж на середин! друго!. Впродовж друго! години заповнення ця р1зниця зменшуеться до нуля. В подальшому спостерь гаеться 1нтенсивн1ше збшьшення температури газу на середин! друго! дшянки, а !х р1зниця в юнцевий момент заповнення знову досягае 6 °С. За таких умов сум1жн1 л1ншн1 дшянки зазнають впливу р1зних температурних навантажень, що в юнцевому результат створюе додатков1 наванта-ження на елементи !х з'еднання.
Рис. 4. ЗмЫа температури газу по середин1 непарних лЫтних д1лянок (ЛД) довгом1рноТ труби при ТТ заповненн1 впродовж трьох годин
Рис. 5. Зм1на температури газу по середин непарних лш1йних д1лянок (ЛД) довгом1рноТ труби при ТТ заповненш впродовж шести годин
о -1- -- -- -- -- -- -- ----- -
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Трива.псч I. процесу заповнення, хв
-»-ЛД-1 -«-ЛД-3 -*"ЛД-5 -*-ЛД-7 -ж-ЛД-9 -«-ЛД-П ЛД-13 ЛД-15
Рис. 6. Зм1на температури газу по середин! непарних л1н1йних д1лянок (ЛД) довгом1рноТ труби при ТТ заповненн1
впродовж дванадцяти годин
Рис. 7. Змша температури газу на лшшних дтянках довгом1рноТ труби в процес1 ТТ заповнення впродовж 6-ти годин
Рис. 8. Змша р1зниц1 температури газу на сум1жних лшшних дтянках довгом1рноТ труби в процеа Т"Т заповнення
впродовж 6-ти годин
£
Рис. 9. Залежысть температури газу на середин першо'|' та друго'Г лшшних дiлянок
вiд часу заповнення
6. Висновки
За результатами дослщжень nepe6iry процесiв, якi вiдбуваються в емностях, виконаних у виглядi довгомiр-них труб, встановлено, що для умов ïx заповнення в два
етапи особливою нерiвномiрнiстю характеризуеться температура на перших трьох лшшних дыян-ках. Введення в дш компресора призводить швидкого зростання температури газу на першш, а в подальшому, i на другiй лiнiйнiй дiлянцi. Рiзниця температур на се-рединi цих дыянок досягае 12 °С. Характер нерiвномiрностi за рiз-них швидкостей реалiзацii проце-су е практично аналопчним.
Для умов заповнення емност з постiйним використанням компресора особливо вираженою нерiвномiрнiстю температурнi процеси характеризуються на по-чаткових етапах. Максимальна рiзниця температур на середин сумiжних дiлянок досягае 6 °С. Зi збiльшенням тиску газу темпера-турнi процеси частково стабШ-зуються.
Для можливостi подальших дослiджень впливу наявних процеав на напружено-де-формований стан елеменпв довгомiрноi труби необхщ-ними е детальнi дослiдження змши температури газу по довжинi початкових лшшних дыянок як при заповненш, так i розвантаженнi емностей.
Л^ература
1. Galileo Technologiees [Electronic resource] / Available at: http://www.galileoar.com/ru/
2. CNG INTARI [Electronic resource] / Available at: http://cng.intari.com/informatsija/novosti/dejjstvitelno-pervyjj-v-mire-proekt-cng-ili-ocherednojj-falstart/
3. Патент № 2145689 РФ, МПК F17C001/00, F17C005/06, F17C007/00. Судовая система для транспортировки сжатого газа [Текст] / Стеннинг Д. Дж., Крэн Д. Э. - № 98110263; заявл. 28.10.1996; опубл. 20.02.2000, Бюл. № 3.- Режим доступа: http:// www.freepatent.ru/patents/2145689
4. Патент № 2300480 РФ, МПК В63В25/14, F17C1/00, F17C5/06. Судно для транспортировки сжатого газа [Текст] / Блинков А. Н., Власов А. А., Лицис А. В. - №2005129647/11; заявл. 22.09.2005; опубл. 10.06.2007, Бюл. № 16. - Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2300480
5. Патент № 2155696 РФ, МПК B63B25/14. Судовая система транспортировки газа [Текст] / Стеннинг Д. Дж., Крэн Д. А. -№ 99101831/28; заявл. 26.09.1997; опубл. 10.09.2000, Бюл. № 27. - Режим доступа: http://www.sibpatent.ru/patent.asp?nPub l=2155696&mpkcls=B63B025&ptncls=B63B025/14&sort=2
6. Декларацшний патент на корисну модель № 42694 Украша, МПК B67D 5/00, F17C 1/00. Спомб морського транспортування стиснутого природного газу в CNG-модулях [Текст] / Крижашвський 6. I., Зайцев В. В., Зайцев Вал. В., Зайцев Д. В. -№ u200903996; заявл. 23.04.2009; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 13.
7. Декларацшний патент на корисну модель № 67664 Украша, МПК F17C 5/00. Спомб транспортування стиснутого природного газу рухомим трубопроводом [Текст] / Патон Б. 6., Крижашвський 6. I., Савицький М. М., Швидкий Е. А., Зайцев В. В., Мандрик О. М. - № u201114580; заявл. 08.12.2011; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 4.
8. Джус, А. П. Використання 1м1тацшного моделювання для дослщження процемв заповнення суден CNG [Текст] / А. П. Джус, О. М. Сусак, Л. 6. Шкща // Схщно-европейський журнал передових технологш. - 2014. - Т. 2, № 3(68). - С. 4-9. doi:10.15587/1729-4061.2014.23015.
9. Ebrahimzadeha, E. Simulation of transient gas flow using the orthogonal collocation method [Text] / E. Ebrahimzadeha, M. N. Shahrakb, B. Bazooyar // Chem. Eng. Res. Des. - 2012. - Vol. 90. - Р. 1701-1710. doi:10.1016/j.cherd.2012.02.018.
10. Крижашвський, 6. I. Техшко-економ1чш аспекти транспортування природного газу 1з морських родовищ [Текст] / 6. I. Крижашвський, О. Г. Дзьоба, А. П. Джус, Ю. В. М1ронов // Науковий вюник ЮНТУНГ. - 2013. - № 2(35). - С. 7-15.
