CC BY
44
УДК 519.688; 621.642.8
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССОВ В РЕЗЕРВУАРАХ И ЦИСТЕРНАХ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ХРАНЕНИИ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ
Е.С. Солдатов
В статье описано проблемно-ориентированное программное обеспечение для исследования процессов нестационарного тепломассообмена и гидродинамики в резервуарах и цистернах при длительном хранении криогенных продуктов; представлена функциональная структура программного обеспечения, демонстрирующая взаимосвязь программ для моделирования процессов внутри газожидкостной емкости, вычислительного модуля и программ для мониторинга состояния криогенных сосудов различного типа. Приведен пример реализации программного комплекса для оценивания прогнозируемого времени хранения сжиженного природного газа в мультимодальном транспортном контейнере.
Ключевые слова: программное обеспечение, моделирование нестационарного теплообмена, мониторинг термодинамических процессов, криогенный танк-контейнер, длительное хранение, криопродукт, сжиженный природный газ.
Одним из приоритетных направлений научно-технического прогресса является разработка технологий длительного хранения криогенных продуктов [1]. Решение этих задач требует применения методов математического моделирования для поддержки принятия решений по разработке и реализации таких технологий. Это, в свою очередь, требует создания универсальных алгоритмов и разработанных на их основе программных комплексов (ПК) для моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена в криогенных цистернах и резервуарах для долговременного хранения. Основной сложностью, с которой сталкиваются специалисты при моделировании теплофизических процессов, является необходимость учета большого количества параметров при различных режимах эксплуатации криогенных емкостей [2-4]. Речь идет, главным образом, о постоянной смене режимов хранения со стационарного на транспортный, и наоборот. Также важными факторами, влияющими на время безопасного хранения продукта, являются степень температурного расслоения, значение теплового потока из окружающей среды, а также наличие механических колебаний при движении.
Развитие и распространение мультимодальных танк-контейнеров позволяет решать проблемы с транспортировкой криогенных продуктов в отдаленные районы различными видами транспорта без перезаправки, что еще в недалеком прошлом было неразрешимой или экономически нецелесообразной задачей [1].
Помимо транспортировки на большие расстояния, актуальной является задача длительного хранения криогенных жидкостей на месте потребления, в отсутствие внешних источников холода в точке эксплуатации. Например, это может быть доставка и хранение жидкого азота для различ-
385
ных технологических задач (захолаживание оборудования, инертизация трубопроводов) или жидкого аргона для наполнения баллонов на месте эксплуатации (обеспечение инертным газом для сварочных работ). Особо стоит отметить перспективную задачу по доставке сжиженного природного газа (СПГ) в отдаленные районы, где отсутствует трубопроводный газ.
Задача мониторинга теплофизических свойств резервуаров и цистерн при длительном хранении криогенных продуктов
Производители криогенных резервуаров и цистерн, как правило, указывают в конструкторской документации величину теплопритока к продукту через изоляцию, значение которого справедливо при нормативном уровне вакуума в межстеночном пространстве (не выше 10-2.. ,10-3 Па). Также в документации указывают гарантийный срок на вакуум - не более 2-х лет, тогда как срок службы сосуда может достигать 20 лет и более, при условии проведения комплекса работ по продлению срока эксплуатации. Из опыта эксплуатации емкостного оборудования известно, что ухудшение вакуума не всегда удается вовремя диагностировать, как в транспортных цистернах, так и в стационарных хранилищах. А восстановление вакуума в сосуде - длительная и подчас дорогостоящая процедура, которую не всегда удается быстро реализовать. При этом возможны различные варианты. Например, уровень давления в межстеночном пространстве резервуара может быть как аварийным (полная разгерметизация, давление равно атмосферному). В таком случае требуется немедленная остановка и вывод сосуда из эксплуатации до окончания ремонтных работ. Но также возможен вариант, когда потеря вакуума является незначительной, при этом в большинстве случаев экономически нецелесообразна немедленная остановка сосуда, однако дальнейшая эксплуатация будет сопровождаться дополнительными потерями продукта, а время бездренажного хранения будет значительно ниже, чем при нормативном значении давления вакуума. При этом возникает задача уточненного расчета времени хранения криогенного продукта при значении теплопритока через изоляцию, отличного от указанного в документации от изготовителя сосуда, с целью не допустить срабатывания предохранительных клапанов и утечки криопродукта в атмосферу.
В связи с вышесказанным важной задачей является внедрение системы мониторинга состояния вакуумной полости в резервуарах и цистернах, а также обеспечение возможности уточненной оценки значения времени бездренажного хранения криопродукта в сосуде с учетом дополнительного теплового потока к продукту за счет ухудшения условий теплоизоляции. Расчет величины дополнительного теплопритока в программном модуле, с учетом известного значения давления вакуума в межстеночном пространстве рвак можно выполнить по формуле:
где а - коэффициент аккомодации, учитывающий неполноту обмена энергией между молекулами и поверхностью, к - показатель адиабаты, M - молекулярная масса вещества продукта. В итоге тепловой поток через изоляцию Qus вычисляется следующим образом:
T и t Qu3 = Q6d + Qгаз,
T0 - Тх
где Q6d - нормальный тепловой поток через изоляцию для рассматриваемой криогенной емкости, T0=293 К - нормальная температура окружающей среды.
В качестве двух основных исходных параметров для расчета систем хранения обычно используются начальный уровень заполнения и давление в паровом пространстве сосуда. Подавляющее большинство промышленных емкостей не оснащается температурными датчиками для контроля состояния жидкой и паровой фазы, поскольку установка датчиков во внутреннем сосуде ведет к существенному усложнению конструкции и удорожанию емкостного оборудования. Следовательно, обладая только данными об уровне заполнения и давлении в паровом пространстве сосуда, для большинства промышленных резервуаров и цистерн нет возможности при проведении расчета учесть температурное расслоение в сосуде, которое зависит от предыстории процессов хранения и транспортировки.
В связи с вышесказанным целесообразным является осуществление обязательной взаимосвязи программного комплекса с системой мониторинга процесса бездренажного хранения, с целью учета ретроспективной информации о процессах транспортировки и хранения продукта, поскольку данные о температурном расслоении являются ключевыми для получения априорной оценки времени хранения в конкретный момент времени.
Современные программные комплексы в задачах определения нестационарных теплофизических параметров долговременного хранения криопродуктов
В настоящее время в научных и инженерных расчетах широко используются универсальные программные комплексы для моделирования задач гидродинамики и тепломассообмена, основанные, преимущественно, на применении метода конечных элементов [2-6]. Наиболее часто применяемыми для решения практических задач являются системы к ANSYS, COMSOL, ЛОГОС, STAR-CD, FLOWVISION, CFD-ACE+ [2-9].
Несмотря на очевидные преимущества перечисленных универсальных комплексов программ, при их применении возникает ряд трудностей. Одними из главных проблем являются требование достаточно высокой квалификации пользователей, большие временные затраты при расчете нестационарных процессов, невозможность задания в исходных данных всей специфики теплообмена и, как следствие, необходимость оценки адекватности выбранной математической модели [10-12].
Процесс решения системы уравнений требует серьезных вычислительных ресурсов, а продолжительность численного решения может достигать нескольких дней или недель. В связи с этим было предложено раз-
387
делить задачи по определению температурного распределения в паровом пространстве криогенного сосуда в конкретный момент времени и по вычислению времени безопасного хранения.
На рис. 1 представлена общая схема моделирования процесса нестационарного нагрева парожидкостной смеси на примере использования программного комплекса ANSYS Fluent. При подготовке моделей в качестве исходной информации использовались геометрические параметры сосудов (опционально загружаемые из внешней CAD-библиотеки в модуль Design Modeler). В препроцессоре Meshing осуществлялось создание конечно-элементной сетки.
Исходными данными при задании граничных условий являлись данные о нормативных значениях теплопритока через изоляцию, определяемые изготовителем сосудов в технической документации. Также при инициализации решения использовались теплофизические параметры реальных газов, рассчитанные по соответствующим пакетам свойств (в исследованиях процессов при хранении природного газа использовался пакет термодинамических свойств Пенга-Робинсона, расчет производился в программном комплексе Aspen HYSYS v.10). Для математического описания взаимодействия между фазами в процессе тепломассообмена дополнительно использовалась встроенная модель кипения-конденсации.
Модуль расчета времени бездренажного хранения криогенных продуктов
Работа вычислительного модуля основана на принципе таблицы поиска. Как уже отмечалось ранее, такое решение позволило избежать необходимости каждый раз по требованию производить трудоемкие вычисления температурных полей. Вместо этого было налажено взаимодействие вычислительного модуля с базой данных расчетных значений давления и температуры. Накопление этой базы производилось по результатам моделирования в виде нестационарных температурных полей и давлений в паровом пространстве внутреннего сосуда [2-4].
Из этой информации по запросу от вычислительного модуля формируется массив данных давления и времени хранения, из элементов которого впоследствии и определяется искомая величина прогнозируемого времени бездренажного хранения.
В этом случае в программу загружается массив данных времени бездренажного хранения Txpi и давления хранения pxp,j, соответствующих рассчитанному ранее тепловому потоку.
Модуль расчета выбирает наибольший элемент, который удовлетворяет условию
pxpj<pmax,
где pmax - заданное максимальное разрешенное давление в сосуде. Соответствующее выбранному элементу значение Txpi является искомым прогнозируемым временем хранения.
В случае если полученная величина Тхр оказывается меньше заданного значения критического давления Ткр, системой производится формирование и отправка аварийного сообщения на пульт диспетчерской службы (рис. 2).
Рис. 1. Моделирование процессов хранения криопродукта, верификация по экспериментальным данным и накопление базы данных результатов моделирования
Рис. 2. Структура программного обеспечения для моделирования и мониторинга процессов при длительном хранении криопродуктов в резервуарах и танк-контейнерах: БСПД - беспроводная сеть передачи данных; MS1, MS2,...MSn - модули, установленные на криогенных резервуарах; MT1, MT2,...MTm - модули, установленные на танк-контейнерах 389
В процессе работы над исследованием процессов бездренажного хранения криопродуктов разработана программа для ЭВМ [13], которая позволяет в частном случае решить поставленную задачу для СПГ. Вычислительный модуль программы выдает температурное распределение в паровом пространстве внутреннего сосуда транспортного криогенного резервуара в рассматриваемый момент времени. Программа также производит прогнозирование времени хранения СПГ в контейнере в днях. Основное назначение ПК: уточненная оценка потерь при хранении и мультимодаль-ных перевозках СПГ, а также сбор статистических данных для подготовки рекомендаций по увеличению времени хранения.
Структура программного обеспечения для моделирования теп-лообменных процессов и мониторинга состояния криогенного оборудования
На рис. 2 приведена структурная схема, показывающая взаимосвязь программных комплексов для решения задач моделирования термодинамических процессов и мониторинга теплофизических параметров криогенного оборудования различного типа [1, 11, 14-16].
Подготовка компьютерных моделей производилась в моделирующем программном комплексе конечно-элементного анализа. Верификационный модуль осуществляет компарирование значений давления и температуры в газовой фазе, после чего возможно уточнение моделей.
Характерной особенностью описываемого программного комплекса является возможность учитывать не только текущие показания датчиков давления и уровня, но также и предысторию процесса бездренажного хранения.
Наличие беспроводной сети передачи данных (БСПД) позволяет подключать к системе мониторинга различные сосуды, независимо от степени их удаленности от дата-центра или диспетчерского пульта, а также независимо от степени удаленности емкостей друг от друга.
Основным отличием индивидуальных компьютерных модулей транспортных емкостей МТ1, МТ2,... от модулей стационарных емкостей МБ1, М&2,... является наличие информации от датчиков механических колебаний, возникающих в процессе перемещения цистерны или контейнера любыми видами транспорта: автомобильным, железнодорожным, морским, воздушным.
Программный комплекс рабочего места оператора диспетчерской службы содержит модуль удаленного доступа, модуль визуализации результатов расчета времени безопасного хранения и мониторируемых теп-лофизических параметров, а также модуль для приема и обработки аварийных сообщений.
На пульт диспетчерской службы направляется информация со всего парка стационарных резервуаров и транспортных цистерн, а именно: данные по давлению и уровню жидкого криопродукта в каждой емкости, уровень вакуума, отражающий техническое состояние теплоизоляции. Также модуль визуализации отображает режим хранения в конкретный момент времени (стационарный или транспортный) и основной расчетный параметр - прогнозируемая продолжительность бездренажного хранения.
390
Мгновенное значение уровня жидкости в емкости вычисляется по формуле:
Рж - Рг
^ж — "
Рж • §
где рж, рг - давление, соответственно, в жидкостной и паровой фазах, рж -плотность жидкости, § - ускорение свободного падения. После того как известен уровень, вычисляется площадь свободной поверхности жидкости ^У, согласно исходным данным по геометрическим характеристикам вертикальных и горизонтальных сосудов.
Далее производится проверка соответствия значения уровня жидкости заданному безопасному диапазону
где Ьнкр и Ьвкр - соответственно, нижний и верхний критические уровни в резервуаре, задаваемые согласно требованиям документации от изготовителя сосуда и с учетом условий эксплуатации. Как правило, Ьвкр соответствует максимально разрешенной степени заполнения большинства сосудов 0,95...0,98, а Ьнкр определяется величиной несливаемого остатка, взятой с коэффициентом запаса 1,5.2. В случае если уровень жидкости слишком низкий или слишком высокий, производится формирование и отправка аварийного сообщения через БСПД на пульт оператора диспетчерской службы.
Тестирование программного обеспечения
Для анализа соответствия друг другу расчетных и паспортных данных по времени бездренажного хранения были исследованы опытные данные по смешанным перевозкам криогенных жидкостей в мультимодальных контейнерах (см. таблицу). Для сравнения бралось общее время транспортировки в наиболее сложных условиях: смешанная перевозка автомобильным и морским транспортом, с учетом стационарного хранения в течении нескольких дней в порту и в пункте назначения.
Параметры долговременного хранения инертных и горючих криопродуктов в мультимодальном 40-футовом танк-контейнере
Начальная Продолжительность бездренажного
Давление Продукт ИМ код степень хранения, дней Дт: ДТ2
хранения продукта заполнения сосуда Расчетные значения Опытные данные Паспортные значения % %
Азот 1977 64 % 32 31 45 31,1 3,1
0,7 МПа Аргон 1951 37 % 29 30 53 43,4 3,3
Этилен 1038 85 % 103 111 129 13,9 7,2
СПГ 1972 85 % 49 47 74 36,5 4,1
Азот 1977 64 % 28 29 62 53,2 3,4
1,0 МПа Аргон 1951 37 % 45 45 71 36,6 0,0
Этилен 1038 85 % 134 135 174 22,4 0,7
СПГ 1972 85 % 74 75 95 21,1 1,3
Примечание: Дц - различие хранения; Дт2 - различие хранения.
между паспортным и опытным значениями времени между расчетным и опытным значениями времени
Как видно из таблицы, как расчетные, так эмпирические значения времени хранения продукта оказываются ниже теоретических значений, обычно указываемых в технической документации на сосуды, вплоть до различий в 1,5 раза. При этом расчетные значения в среднем отличаются от опытных не более чем на 3...4 %, что обусловливает целесообразность прогнозирования продолжительности безопасного хранения на основе результатов расчетов и показывает важность практического внедрения программного обеспечения для вычисления времени безопасного хранения жидких криопродуктов на производстве.
Дальнейшими направлениями исследований в этой области являются совершенствование программных средств для решения системы дифференциальных уравнений гидродинамики и тепломассообмена для сокращения вычислительных ресурсов, а также накопление базы данных эталонных значений температуры и давления для различных типов резервуаров, цистерн, топливных баков транспортных средств.
Список литературы
1. Солдатов Е.С., Архаров И.А. Анализ схемных решений в системах реконденсации паров сжиженного природного газа для транспортных и стационарных резервуаров долговременного хранения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 2. С. 263-276.
2. Солдатов Е.С. Моделирование процессов тепломассообмена в криогенном резервуаре долговременного хранения сжиженного природного газа // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. 2019. Т. 46. № 1. С. 92-98.
3. Солдатов Е.С., Архаров И.А. Анализ термодинамической эффективности установок реконденсации паров сжиженного природного газа // Автоматизация. Современные технологии. 2019. № 7.
4. Солдатов Е.С. Численное исследование нестационарного тепломассообмена в криогенном резервуаре долговременного хранения с подвижной границей раздела фаз // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2019. Том 5. № 2. С. 148-159. DOI: 10.21684/2411-7978-2019-5-2-148159.
5. Майстров А.И., Богомолов А.В., Алехин М.Д., Зарецкий А.П. Математическое моделирование ритмокардиографических сигналов для стандартизации методов их спектрального анализа // Труды Московского физико-технического института. 2015. Т. 7. № 3 (27). С. 116-130.
6. Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Ушаков И.Б. Математическое обеспечение оценивания состояния материальных систем // Информационные технологии. 2004. № 7 (приложение). 32 с.
7. Daigle M.J., Smelyanskiy V.N., Boschee J., Foygel M. Temperature stratification in a cryogenic fuel tank // Journal of thermophysics and heat transfer. Vol. 27. No. 1. 2013. DOI: 10.2514/1.T3933.
392
8. Dobrota D., Lalic B., Komar I. Problem of Boil-off in LNG Supply Chain. Transactions on maritime science. 2013. № 2. P. 91-100. DoI: 10.7225/toms.v02 .n02.001.
9. Wlodek T. Prediction of boil-off rate in liquefied natural gas storage processes // 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2017. Section Oil and Gas Exploration, 2017. P. 405-413. DOI: 10.5593/sgem2017H/15/S06.051.
10. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.:Физматлит, 1994. 448 с.
11. Филин Н.В. Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, 1985. 247 с.
12. Рудаков И.С., Рудаков С.В., Богомолов А.В. Методика идентификации вида закона распределения параметров при проведения контроля состояния сложных систем // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2007. Т. 5. № 1. С. 66-72.
13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2017660743 РФ. Автоматизированная система расчета температурного поля в мультимодальном танк-контейнере для сжиженного природного газа / Е.С. Солдатов. Опубл. 25.09.2017. Бюлл. № 10.
14. Патент на полезную модель 188760 РФ. Мультимодальный контейнер для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов с автономной системой реконденсации паров / Е.С. Солдатов. Опубл. 09.11.2018. Бюлл. № 31.
15. Nagimov R.R., Arkharov I.A., Navasardyan E.S. Problems and development of methods of dynamic simulation of cryogenic systems // Chemical and Petroleum Engineering. 2016. Т. 52. № 7-8. С. 476-480.
16. Александров А.А., Архаров И.А., Навасардян Е.С., Антонов Е.А. Моделирование процессов в микрокриогенной газовой машине // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2015. № 10. С. 3-6.
Солдатов Евгений Сергеевич, инженер направления «Нефть и Газ», volshe-hnoekoltsoamail.ru, Россия, Балашиха, АО «Линде Газ Рус»
MODELING SOFTWARE AND MONITORING OF PROCESSES IN RESERVOIRS AND TANKS FOR LONG STORAGE OF CRYOGENIC PRODUCTS
E.S. Soldatov
The article describes the prohlem-oriented software for studying the processes of unsteady heat and mass transfer and hydrodynamics in tanks and tanks during long-term storage of cryogenic products; the functional structure of the software is presented, demonstrating the interconnection of programs for modeling processes inside a gas-liquid tank, a computing module, and programs for monitoring the state of various types of cryogenic vessels. an example of the implementation of a software package for estimating the predicted storage time of liquefied natural gas in a multimodal transport container is given.
Key words: software, unsteady heat transfer modeling, monitoring of thermodynamic processes, cryogenic tank container, long-term storage, cryoproduct, liquefied natural gas.
Soldatov Evgeny Sergeevich, application engineer, Oil and Gas Directorate, volshe-hnoekoltsoa mail.ru, Russia, Balashikha, JSC "Linde Gas Rus"
393
