Особенности теплового расчета резервуаров хранилища сжиженного газа как отдельных элементов и как теплообменной системы сложной структуры Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.64+66.045

И. А. ЯНВАРЕВ А. В. КРУПНИКОВ

Омский государственный технический университет ОАО «Сибнефтетранспроект»

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА РЕЗЕРВУАРОВ ХРАНИЛИЩА СЖИЖЕННОГО ГАЗА КАК ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И КАК ТЕПЛООБМЕННОЙ СИСТЕМЫ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ

Решение задач энерго- и ресурсосбережения как для нефтедобывающих компаний, так и для предприятий, добывающих и транспортирующих природный газ, связано с развитием технологий сжиженного углеводородного газа. Повышение эффективности эксплуатации хранилищ сжиженных продуктов предполагает проведение соответствующего топологического и функционального анализа резервуарных парков в общем случае как теплообменных систем сложной структуры.

Ключевые слова: резервуарный парк, теплообменная система, сжиженный газ, ресурсосбережение.

Развитие технологий производства, хранения и использования сжиженного природного газа (СПГ) связано с решением задач энергосбережения как для нефтедобывающих компаний (получение газоконденсата и газового топлива из попутного газа), так и для предприятий, добывающих и транспортирующих природный газ [1—3].

В то же время в мировой практике все более широко используются системы газоэнергоснабжения потребителей, промышленные объекты которых обеспечиваются смесями пропан-бутана (СПБ) смесями сжиженного углеводородного газа (СУГ) от резервуарных установок, хранилищ, являющихся элементами СПГ-технологий [4].

Повышение эффективности эксплуатации хранилищ СУГ, представляющих собой резервуарные парки (РП), требует в том числе сокращения потерь хранимых продуктов; снижения энергопотребления при эксплуатации (прием, хранение, откачка СУГ).

Это на системном уровне может быть реализовано, например, при помощи системы газовых обвязок (СГО), газоуравнительных систем (ГУС), изотермического хранения [3 — 6].

Рациональное применение данных системных средств предполагает проведение соответствующего анализа, в рамках которого необходимо:

— определить особенности структуры теплооб-менной системы, образованной парком резервуаров с учетом способа снижения потерь хранимых продуктов;

— выделить расчеты (в том числе тепловые) резервуарного парка, представляющего собой в общем случае теплообменные системы сложной структуры.

Это позволит определить значения важных эксплуатационных параметров:

— температура продукта в определенный момент времени в отдельном резервуаре или их группе для режимов приема, хранения и откачки-налива;

— температура продукта в определенный момент времени в отдельной цистерне или их группе для режима налива;

— время, за которое температура продукта достигнет заданного уровня,

а также получить ответы на ряд существенных вопросов, возникающих при проектировании:

— обеспечивается ли для заданного способа снижения потерь таранимых продуктов (теплооб-менной системы заданной структуры) тр ебуемый темперееурный режим Т™" Я Тп , (т)Я Т™" , / р ббУ , где Тп 1 (т) — температура продукта в Тей момент времени для г-го месяца эксплуатации; ТЛ™, Т;Лах — допустимые минимальные (для зимнего периода эксплуатации) и максимальные (для летнего периода эксплуатации) температуры продукта;

— удовлетворяют ли принятые проектные решения по теплообогреву и теплоизоляции резервуаров требуемому температурному диапазону для режимов приема, хранения и откачки-налива продукта.

Например, хранение СПБ в хранилище нефтебазы на станции Коротчаево предусматривается в шаровых резервуарах, которые можно разбить на три группы. Первая группа резервуаров осуществляет прием продукта(резервуар заполняется азотом,затем происходит прием продукта и вытеснение азота на факельную установку, наполнение резервуаров происходит последовательно).Вторая

Рис. 1. Хранилище СПБ с системой газовых обвязок: Р — резервуар, КС — конденсатосборник

а)

б)

Рис. 2. Хранилище СПБ с газоуравнительной системой (а) и дополнительно с системой компримирования легких фракций (б): Р — резервуар, КС — конденсатосборник, ГС — газосборник

душной смеси из заполняемых резервуаров переходить не в атмосферу, а в эти опорожняемые (или свободные) резервуары [6].

Более широкими возможностями обладают газоуравнительные системы (ГУС), включающие специальный газосборник (ГС) постоянного или переменного объема (ри с. 2а) для а и кумулирования части паровоздушной смеси при несовпадении операций закачки — выкачки [6], в том числе с использованием системы иомпримирования легких фракций (рис. 2б).

В рамкас тепсоиого анализа тепловой (температурный) к.п.д, у?р(т) отдельного полностью заполненного С И) Б ша°о вото рез ервуара (опечатанного и находящегося в режиме хранение) за время т является фуккцие6[ вяемени и выражает соотношение между фяктичежим переданным количеством теплоты ЧИ и тем максимально возможным количеством течигты гЧмлх, которое может быть передано от окрууающей среды (атмосферного воздуха) продукту Ич .ЯР 2ИАТМ, или от продукта окружающей среде Ис . (я) > Иош в ремгрвуаре с бесконечно большим знсчхнием со эффициевта теплопередачи k или бесконечяо Оольшой поверхностьютеплооб-мена F (или га бесконечнгс время).

УР(е)и

4 ГРкРЫсШЮ)-я

ЧМш F^-A Имлх{я)'т

Ме

mc с сб б0 с.

БИ-

и Я))

Жр

(1)

где ТСПБ Н, ТСПБ л ТАШ — начальная и конечная температура СПБ; ТАТМ — температур а атмосферного воздуха; М, с — масс а и теплоем кость СПБ.

Тогда при храненти продпкта в теаение единицы времени (например, в теченле часа) темпяратур-ный к.п.д. будет итсть конкретное оаачерие

УР(я и1)и .

г - И _

(2)

а коэффициент эфф октив-иста термостатирования резервуара

ЕИ=б1--р (ти 1) и

и [ --

, -и.

г -И.

(3)

Время тТ , необходимое для достижения температуры СПБ заданного значения Т = ТСПБ К (при заданных М, к, Я можно определить по выражению (4)

Рис. 3. Время хранения СПБ до заданной температуры для различных типов резервуаров при Т = 34°С

группа резервуаров работает в режиме хранения (резервуары опечатаны и проходят паспортизацию, сброс азота при изменении давления, температуры выполняется на свечу рассеивания).

Третья группа обеспечивает налив продукта в железнодорожные цистерны (откачка продукта из резервуара и заполнение его азотом).

Применение системы газовых обвязок (системы трубопроводов, объединяющих газовые пространства резервуаров с одинаковым продуктом хранения (рис. 1)) позволяет в рамках операции заполнения одних резервуаров (при совпадении по времени с опорожнением других) части паровоз-

М СПБ ССПБ ' (МСПИ Н М СПБ K )

F„ к р • ( МСПБ СР

-И )

^ лты !

(4)

Соответсовенно , для тем-ератуэыпродукта после т часов хранения

е)

(5)

На рис. 3 отражлоы рл зуиътаты расчетов времени хранения СПБ, лбеспечивающего заданную конечную температуру продукта ТСПБ К для различных типов р, езервуаров збъема 2000 м3 "(шаровой метал-лическиб неизолированныб наземный резервуар, шаровой металличесрий изолированный наземный резервуар, цилиндрический подземный резервуар)

T-T

± ГПК ТГ ± А ТА А

1

7

И = И

ПГТИ V ПГГИ Ь

7 А.

:-пвтр1

Рис. 4. Технологическая схема группы резервуаров, связанных ГУС

при максимальной температуре атмосферного воз-

ду*а ТАТМ =34 °С.

Для металлического неизолированного наземного резервуара коэффициент теплопередачи кр =25 кДж/(м2^°С), для металлического изолированного наземного резервуара кр =12,5 кДж/(м2^°С), для подземного резервуара кр =11,3 кДж/(м2^°С)[7].

При частичном заполнении шарового резервуара (режим приема или откачки) процессы испарения и конденсации хранимого продукта (в рамках «большого и малого дыхания», «обратного выдоха» и т.д.) становятся более существенными. Это связано с изменениями объема газового пространства (ГП), средней концентрации, температуры и давления газообразных углеводородов, что приводит к перетеканию последних в рамках систем СГО или ГУС в ГП других резервуаров или в мягкие резервуары-газгольдеры и требует соответствующего учета при тепловом расчете.

Для частично заполненного шарового резервуара или для группы резе рвуаров (ГР), связанных СГО или ГУС, тепловой анализ может быть про-ведез с учетом структуртых особенностей образо-ванной тзплхобментой системы с истольсованием соотзетхтвующей функцои оептоеой эффективто-сти ТС (или эффеотиононти тетмоссасирования) на базе элементарного тспзообменныт иимтем [8].

"А )=Т

j=i

(

iTOH TEH j )

л

(TOH TEH r )

K j N

(4

(6)

где °енг = bhO V°(t) = a(p°n,LOJN, j,O°N) —

функция venAOBoft pN^cLeicTHNно nth ТС одной из элементарных (перекрестная схема, с общим лупингом, с общим рециклом, с общим обращением основного потока) или произвольной схемы, приведенная к j-му элементу схемы; Л — алгоритмический оператор, определяющий порядок расчета произвольной ТС в соответствии с правилами следования и вложения; ТОН, ТВН — начальные температуры отдающей и воспринимающей тепло сред.

Этот анализ может быть также реализован и при помощи соответствующих программных средств. Технологическая схема для динамического расчета

группы резервуаров Р1—Р11 с учетом использования газоуравнительной системы отражена на рис. 4.

Библиографический список

1. Кириллов, Н. Г. Природный газ как энергетическое топливо: стратегия, использования и технологии сбережения / Н. Г. Кириллов // Нефтегазовые технологии. — 2002. — № 1. - С. 14-22.

2. Мартен, П. И. Новая концепция производства СПГ / П. И. Мартен, П. Бултан // Газовая промышленность. — 2005. — № 1. — С. 64 — 66.

3. Вешицкий, В. А. Изотермическое хранение сжиженных газов / В. А. Вешицкий. — Л. : Недра, 1970. — 190 с.

4. Вильямс, А. Ф. Сжиженные нефтяные газы / А. Ф. Ви-льямс, В. Л. Ломм. — 2-е изд., перераб. — М. : Недра, 1985. — 339 с.

5. Усачев, А. П. Повышение энергоэффективности и безопасности систем хранения и испарения сжиженного углеводородного газа / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, Т. А. Усачева // Энергосбережение 2008 : материалы VI Междунар. специали-зир. выставки. — Уфа : ГУП «ИПТЭР», 2008. — С. 24 — 26.

6. Коршак, А. А. Ресурсосберегающие методы и технологии при транспортировке и хранении нефти и нефтепродуктов. — Уфа : ДизайнПолиграфСервис, 2006. — 192 с.

7. Шалай, В. В. Проектирование и эксплуатация нефтебаз и АЗС : учеб. пособие / В. В. Шалай, Ю. П. Макушев. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. — 296 с.

8. Парфенов, В. П. Оценка тепловой эффективности те-плообменного оборудования при комбинированном охлаждении сжатых газов в компрессорных установках / В. П. Парфенов, И. А. Январев // Известия вузов. Машиностроение. — 1998. — № 1—3. — С. 62 — 67.

ЯНВАРЕВ Игорь Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теплоэнергетика» Омского государственного технического университета.

КРУПНИКОВ Антон Владимирович, главный инженер ОАО «Сибнефтетранспроект», г. Омск. Адрес для переписки: iayanvarev@mail.ru

Статья поступила в редакцию 16.02.2016 г. © И. А. Январев, А. В. Крупников

р

о