Структурно-функциональный аспект теплового анализа резервуаров хранилища сжиженного газа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.64+66.045

И. À. ЯНВАРЕВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АСПЕКТ ТЕПЛОВОГО АНАЛИЗА РЕЗЕРВУАРОВ ХРАНИЛИЩА СЖИЖЕННОГО ГАЗА_

Эффективное проектирование и эксплуатация хранилищ сжиженных продуктов во многом определяется качеством теплового анализа резервуаров хранилища сжиженного газа, исследованием их в общем случае к ак сложных динамических теплотехнических систем. В статье проведен структурно-функциональный анализ объектов хранилища, введено понятие теплового к.п.д. резервуара, получены выражения и результаты исследования для температуры продукта после т ч асов хранения для р аз-личных типов резервуаров.

Ключевые слова: резервуарный п арк, теплотехническая система, теплообменная система, сжиженный газ, ресурсосбережение.

Повышение эффективности эксплуатации хранилищ сжиженного углеводородного газа (СУГ), например, сжиженного пропан-бутана (СПБ) предполагает сокращение потерь хранимых продуктов, снижение энергопотребления при эксплуатации (прием, хранение, откачка СУГ), что реализуется на практике при помощи системы газовых обвязок (СГО), газоуравнительных систем (ГУС), изотермического хранения [1—4].

Исследование данных объектов, представляющих собой резервуарные парки (РП), предполагает проведение соответствующего структурно-функционального и теплового анализа, в рамках которых необходимо:

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

— выделить расчеты (в том числе тепловые) отдельного резервуара и резервуарного парка, представляющего собой в общем случае теплотехническую систему сложной структуры.

Предметом структурно-функционального исследования в этом случае является теплотехническая система (ТТС), включающая хранилище СПБ на базе ряда групп резервуаров с системой газовых обвязок и конденсатосборником (КС), возможно с газоуравнительной системой (ГУС) и специальным газосборником (ГС), а также по необходимости с дополни-

(5У1 ©

>—г ___L__J__ Г»— —»— Ч>-1

Ч>- н>-

СЮ

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

тельной системой компримирования легких фракций, содержащей компрессор и насос.

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 паровоздушной смеси из заполняемых резервуаров переходить не в атмосферу, а в эти опорожняемые (свободные) резервуары [2, 5].

Более широкими возможностями обладают газоуравнительные системы (ГУС), включающие специальный газосборник (ГС) постоянного или переменного объема (рис. 2а).

Газосборник может быть использован для аккумулирования части паровоздушной смеси при несовпадении операций закачки-выкачки [2, 5], в том

___i__j___

GD

щ (ГС )

---

( КС ) t

б

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

а

Рис. 3. Структурные особенности хранилища в виде одного (а) и пары резервуаров (б, в)

б

а

в

Рис. 4. Структурные схемы хранилищ с СГО и ГУС с образованием перекрестной схемы (а) и общего лупинга (б)

б

а

числе с использованием системы компримирования легких фракций (рис. 26).

При частичном заполнении резервуара СПБ (режим приема или откачки) процессы испарения и конденсации хранимого продукта (в рамках «большого и малого дыхания», «обратного выдоха» и т.д.) становятся более существенны. 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.

На рис. 3 отражены структурные особенности элементов хранилища в виде отдельного частично заполненного резервуара (рис. За), пары резервуаров Р1 и Р2, связанных между собой ГУС (рис. Зб), один из которых частично заполнен, а другой порожний (заполнен азотом), пары резервуаров, связанных ГУС при реализации совместной операции заполнения одного и освобождения другого (рис. Зв).

Таким образом, для частично заполненного резервуара, или для группы резервуаров (ГР), связанных СГО или ГУС, тепловой анализ может быть проведен с учетом структурных особенностей образуемых в рамках рассмотренных технологических операций теплообменных систем (ТС), с использованием соответствующей функций тепловой эффективности.

Рассмотрим далее с учетом [6] структурные особенности элементарных ТС для группы резервуаров.

Так для хранилищ СПБ с системой газовых обвязок (рис. 1), для частично заполненных резервуаров, например, при реализации совместной операции заполнения одних резервуаров и опорожнением других (часть паровоздушной смеси из заполняемых резервуаров переходит не в атмосферу, а в эти опо-

рожняемые, свободные резервуары) объект теплового анализа может быть представлен в виде простой последовательности соседних резервуаров, или для структурной схемы в виде однородной двухниточ-ной перекрестной теплообменной системы (рис. 4а). При этом каждый отдельный частично заполненный резервуар (рис. За) выступает в качестве теплообменника, реализующего теплообмен хранимого продукта в сжиженном (СПБ) и газовом (ГПБ) виде с окружающей средой (атмосферным воздухом) через корпус резервуара и его изоляцию.

Для хранилищ СПБ с системой газовых обвязок (рис. 1) и с газоуравнительной системой (рис. 2), в случае реализации совместных операций заполнения-налива (не обязательно соседних) при движении по ГУС продукта в газовом состоянии в том же направлении, что и в сжиженном, объект теплового анализа может быть представлен в виде однородной двух-ниточной теплообменной системы с общим лупин-гом, причем резервуары со второго по N—1 полностью заполнены СПБ (рис. 4) или полностью свободны.

Для хранилищ с системой газовых обвязок и газоуравнительной системой при движении по ГУС продукта в газовом состоянии в обратном направлении по отношению к движению СПБ, объект теплового анализа может быть представлен в виде однородной двухниточной теплообменной системы с общим рециклом, причем резервуары со второго по N—1 могут быть полностью заполнены СПБ (рис. 5) или полностью свободны (рис. 5).

Для хранилищ СПБ с ГУС, дополненной системой компримирования легких фракций (рис. 2), соответственно, объект теплового анализа может быть представлен в виде неоднородной трехниточной теплообменной системы с общим обращением основного потока (рис. 6). Неоднородность ТС определяется наличием в структурной схеме компрессора и насоса, в которых подводится энергия Ек и Ен.

Рис. 5. Структурные схемы хранилищ с заполненными (а) и свободными (б) резервуарами с образованием рецикла

Рис. 6. Структурная схема хранилища с системой компримирования легких фракций

с образованием обращения

Применение структурно-функционального анализа позволит классифицировать теплообменные объекты в рамках теплового анализа, сформировать соответствующее математическое описание и определить значения важных эксплуатационных параметров:

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

— температуру продукта в определенный момент времени в отдельной железнодорожной 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 хранимых продуктов (теплотехнической системы заданной структуры) требуемый температурный режим

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

В рамках теплового анализа тепловой (температурный) к.п.д. (х) отдельного полностью заполненного СПБ шарового резервуара (опечатанного и находящегося в режиме хранение) за время х является функцией времени и выражает соотношение между фактическим переданным количеством теплоты Ор и тем максимально возможным количеством теплоты Омах , которое может быть передано от окружающей среды (атмосферного воздуха) продукту Тп i (х) < ТАТМ, или от продукта окружающей среде

Тп i (х) > Татм в резервуаре с бесконечно большим значением коэффициента теплопередачи к, или бесконечно большой поверхностью теплообмена Г (или за бесконечное время).

ЛР (х) =

О

О

р

мах

= Ир крРТсш (х)-х =

И*кр -АТмах(х)"х

,(Тс

:(х))

(1)

спб н ТСПБ К, ТАТМ — начальная и конечная

где Т

температура СПБ; Татм — температура атмосферного воздуха; М, с — масса и теплоемкость СПБ.

Время хТ , необходимое для достижения температуры СПБ заданного значения Т= Тспб к (при заданных М, к, Г) можно определить по выражению (2)

мспбсспб ' (тспб н тспб К

ир кр

(Тс

(2)

Соответственно, для температуры продукта после х часов хранения

Т = Т

1 спб К 1 спб н

гркр • х • (тс

-Т

спб ср Т атм

(3)

М с

мспбсспб

Или с учетом тспб ср = (т

преобразований

спб Н + тспб к

)/2 после

1 +

(4)

б

а

М С Т - Т

1 *-спб^спб\1спб н 1 атм

)

X ^ =

)

атм

)

Т

г* кр • х

спб н

тспб н +

Т-

1 атм

М с

1 спб спб

2

спб к

г* к* ■ х

2М С

спб спб

Рис. 7. Температура продукта ТСПБ_К за время хранения СПБ X для различных типов резервуаров при максимальной (а) и минимальной (б) температуре атмосферного воздуха

На рис. 7 отражены результаты расчетов температуры продукта Тспб К за время хранения СПБ t для различных типов резервуаров объема 2000 м3 (шаровой металлический неизолированный наземный резервуар, шаровой металлический изолированный наземный резервуар, цилиндрический подземный резервуар) при максимальной температуре атмосферного воздуха Тдтм =34 °С (рис. 7а), а также при его минимальной температуре Тдтм = —50 °С (рис. 7б). Для металлического неизолированного наземного резервуара коэффициент теплопередачи kp = 25 кДж/ (м2.ч.°С), для металлического изолированного наземного резервуара — kp = 12,5 кДж/(м2.ч.°С), для подземного резервуара kp =11,3 кДж/(м2.ч.°С) [4]. Значение коэффициента теплопередачи kp = 54 кДж/ (м2.ч.°С) приведено как значение принимаемое по умолчанию при моделировании резервуаров в программе Aspen HYSYS и использовано для сравнения.

Как следует из полученных результатов в летний период для различных типов резервуаров время достижения температуры хранимого продукта его максимального значения (температуры атмосферного воздуха Тдтм = 34 °С) существенно отличается и находится в общем диапазоне 200 — 450 часов. При этом минимальным это время является для металлического неизолированного наземного резервуара, а максимальным — для подземного резервуара.

Примерно аналогичная картина наблюдается и в зимний период при достижении температуры хранимого продукта его минимального значения (температуры атмосферного воздуха Тдтм = —50 °С.

Для резервуаров с большим значением коэффициента теплопередачи (металлический неизолированный наземный резервуар) и в летний и в зимний период характерно более быстрое сближение температуры хранимого продукта с температурой атмосферного воздуха (в течение 150 часов), с дальнейшим небольшим плавным приближением температуры СПБ к Тдтм в течение последующих 250 — 300 часов.

На рис. 8 представлены соответствующие графики теплового к.п.д. и коэффициента эффектив-

г-p л р

ности термостатирования tt = 1 - h для металлического изолированного наземного резервуара в зимний период.

Таким образом, из приведенных материалов, результатов структурно-функционального анализа и соответствующего теплового расчета можно сделать следующие выводы:

1. Тепловой анализ хранилищ СУГ, представляющих собой резервуарные парки, в том числе с це-

1,0

ер татм - 50,0°С кр= 12,5

Ч пр

ер

юо

200

300

400

500

600 Г, час

Рис. 8. Тепловой к.п.д. и коэффициент эффективности термостатирования для металлического изолированного наземного резервуара в зимний период

лью повышения эффективности их эксплуатации предполагает проведение соответствующего структурно-функционального анализа в общем случае как сложных динамических теплотехнических систем.

2. В рамках классификации хранилищ СУГ можно выделить хранилища с системой газовых обвязок, хранилища с газоуравнительной системой, а также с системой компримирования легких фракций.

3. Тепловой к.п.д. (коэффициент эффективности термостатирования) отдельного полностью заполненного резервуара (опечатанного и находящегося в режиме хранение) за время т является функцией времени, его использование в рамках теплового анализа позволяет определить значения важных эксплуатационных параметров: температуры продукта в определенный момент времени для режима хранения; времени, за которое температура продукта достигнет заданного уровня и т.д.

4. Для частично заполненного резервуара, или для группы резервуаров, связанных СГО или ГУС тепловой анализ может быть проведен с учетом структурных особенностей образуемых в рамках рассмотренных технологических операций теплообменных систем, с использованием соответствующей функцией тепловой эффективности.

5. Для хранилищ СПБ с системой газовых обвязок или с газоуравнительной системой в случае реализации совместных операций объект теплового анализа может быть представлен в виде однородной двухниточной теплообменной системы перекрестного типа, с общим лупингом или общим рециклом, причем внутренние резервуары ]=2, N—1 могут быть

б

а

полностью заполнены СПБ или полностью свободны.

6. Для хранилищ СПБ с ГУС, дополненной системой компримирования легких фракций объект теплового анализа может быть представлен в виде неоднородной трехниточной теплообменной системы с общим обращением газового потока.

7. В летний период для различных типов резервуаров время достижения температуры хранимого продукта его максимального значения (температуры атмосферного воздуха ТАТМ = 34 °С) существенно отличается и находится в общем диапазоне 200 — 450 часов. При этом минимальным это время является для металлического неизолированного наземного резервуара, а максимальным — для подземного резервуара. Аналогичная картина наблюдается и в зимний период при достижении температуры хранимого продукта его минимального значения (температуры атмосферного воздуха ТАТМ= —50 °С).

8. Для резервуаров с большим значением коэффициента теплопередачи (металлический неизолированный наземный резервуар) и в летний и в зимний период характерно более быстрое сближение температуры продукта с температурой атмосферного воздуха (в течение 150 часов), с дальнейшим небольшим плавным приближением температуры СПБ к ТАТМ в течение последующих 250 — 300 часов.

Библиографический список

2. Коршак А. А. Ресурсосберегающие методы и технологии при транспортировке и хранении нефти и нефтепродуктов. Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2006. 191 с. ISBN 5-94423-088-6.

3. Rodriguez I., Castro J., Perez-Segarra C. D., Oliva A. Unsteady Numerical Simulation of the Cooling Process of Vertical Storage Tanks Under Laminar Natural Convection // International Journal of Thermal Sciences, 2009. Vol. 48, Issue 4. P. 708-721. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2008.06.002.

4. Январев И. А., Крупников А. В. Особенности теплового расчета резервуаров хранилища сжиженного газа как отдельных элементов и как теплообменной системы сложной структуры // Омский научный вестник. 2016. № 2 (146). С. 73-75.

5. Dolotovskii I. V., Dolotovskaya N. V., Larin E. A., Len'kova A. V. Improving energy efficiency in heating and cooling systems for tank farms of oil-gas enterprises // Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 52, Issue 11-12. P. 803-809. DOI: 10.1007/ s10556-017-0274-1.

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

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

Адрес для переписки: iayanvarev@mail.ru

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

Статья поступила в редакцию 25.09.2017 г. © И. А. Январев

Книжная полка

Полуянович, Н. К. Монтаж, наладка, эксплуатация и ремонт систем электроснабжения промышленных предприятий / Н. К. Полуянович. - 3-е изд., стер. - СПб. : Лань, 2017. - 396 с. -ISBN 978-5-8114-1201-3.

Рассмотрены вопросы, связанные с правильным хранением, монтажом и техническим обслуживанием электрических машин и аппаратов, трансформаторов, распределительных электрических сетей, осветительных установок и электрической бытовой техники. Приведены порядок действия, способы выполнения пусконаладочных работ электротехнического оборудования, организационная структура, а также методы планирования электроремонтного производства, типовые технологические процессы ремонта оборудования и краткая характеристика ремонтных испытаний. Особое внимание уделено устройству, конструкции и расчету различных заземляющих устройств. Даны образцы нормативных документов, регламентирующих завершение монтажных, электромонтажных, пусконаладочных и ремонтных работ. Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника». Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140610 — «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» направления подготовки 140600 — «Электротехника, электромеханика и электротехнологиии».

Атабеков, Г. И. Основы теории цепей / Г. И. Атабеков. - 4-е изд., стер. - СПб. : Лань, 2017. -424 с. - ISBN 978-5-8114-0699-9.

Курс «Основы теории цепей» является первой специальной дисциплиной в системе радиотехнического образования. Этот курс включает в себя анализ и синтез линейных электрических цепей и основные сведения о цепях с ферромагнитными сердечниками. В отличие от теоретических основ электротехники данный курс предусматривает подробное изложение ряда разделов, относящихся к линейной радиотехнике т (колебательные системы, спектральный анализ, общая теория двухполюсников, четырехполюсники). Каждая глава книги снабжена типовыми примерами, задачами (с ответами) и вопросами для самопроверки. Учебник предназначен для бакалавров направления «Радиотехника», «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Конструирование и технология электронных средств», «Электроника и наноэлектро-ника», специалистов направления «Радиоэлектронные системы и комплексы», «Специальные радиотехнические системы» всех форм обучения.

<