Использование теплоты грунта в системах резервуарного газоснабжения с искусственным испарением сжиженного углеводородного газа

УДК 621.6.036

А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.В. Рулев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ГРУНТА В СИСТЕМАХ РЕЗЕРВУАРНОГО ГАЗОСНАБЖЕНИЯ С ИСКУССТВЕННЫМ ИСПАРЕНИЕМ СЖИЖЕННОГО

УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА

Предложены способ экономии электрической энергии на нужды регазификации сжиженного углеводородного газа путем испарения части жидкой фазы в подземном резервуаре за счет теплоты окружающего грунта. Разработаны аналитические зависимости по определению величины сэкономленной энергии. Результаты расчетов, согласно предложенным зависимостям показывают, что среднегодовая величина экономии электрической энергии за счет использования теплоты грунта, применительно к резервуару объемом 10,0 м3, оснащенного проточным регазификатором расчетной па-ропроизводительностью Gp = 32 кг/ч, составляют 39,0%.

Резервуары-испарители, сжиженный углеводородный газ, смеси пропана и бутана, методы регазификации, энергосбережение, клапан-отсекатель, электрический регазификатор

A.P. Usachev, A.L. Shurayts, A.V. Rulev

USING THE SOIL HEAT FOR THE TANK SYSTEMS OF GAS SUPPLY WITH ARTIFICIAL

EVAPORATION OF THE LIQUEFIED HYDROCARBONIC GAS

The article describes a new method of saving electric power used for regasification of the liquefied hydrocarbonic gas by evaporating part of the liquid phase in the underground tank due to the heat of the surrounding soil. Analytical dependences have been developed to determine the amount of the saved energy. According to the provided dependences, calculations show that the average power saving rate makes 39,0 %. This is the result of the soil heat utilization applied for the 10,0 m3 volume tank equipped with the flowing evaporator having the productivity at Gp = 32 kg/h.

Tank evaporators, liquefied hydrocarbonic gas, propane and butane mixes, evaporation method, energy saving, the valve-cutting off, electric evaporator

В настоящее время в системах резервуарного газоснабжения сжиженным углеводородным газом (СУГ), оснащенных электрическими промышленными регазификаторами, актуальной задачей является экономия энергии на нужды испарения СУГ, состоящего из пропан-бутановой смеси.

В существующих конструкциях резервуарного газоснабжения жидкая фаза из подземного резервуара поступает в электрический регазификатор, где испаряется за счет теплоты, подводимой от трубчатых электрических нагревателей (ТЭН) [1, 2, 3]. Для повышения интенсивности теплообмена и безопасности, тепловая энергия на нужды испарения передается от ТЭНов к жидкой фазе СУГ через слой твердотельного промежуточного теплоносителя из алюминиевой заливки [4, 5, 6].

С целью экономии электрической энергии на нужды регазификации СУГ в системах резерву-арного газоснабжения с искусственным испарением предлагается частично использовать теплоту грунта, окружающего подземный резервуар.

Для реализации этой цели предлагается использовать клапан-переключатель паровой и жидкой фаз [7]. Ранее указанный клапан-переключатель применялся для периодического сброса из подземного резервуара паровой фазы таким образом, чтобы из него в распределительный газопровод подавалась жидкая фаза среднего давления [8].

Применение клапана переключателя паровой и жидкой фаз по новому назначению, с целью частичного использования теплоты грунта на нужды регазификации в системах с искусственным испарением СУГ, осуществляется следующим образом.

В начальный период эксплуатации паровая фаза из подземного резервуара 1 (рис. 1) по паровому стояку 2 через клапан переключения подачи паровой и жидкой фаз 3 подается в испарительный змеевик 9, перегревается в нем, а затем через выходной трубопровод 4 и регулятор низкого давления 6 поступает потребителю. При снижении давления и температуры насыщенной паровой фазы в резервуаре 1 до расчетного значения клапан 3 закрывает подачу паровой фазы через стояк 2 и открывает подачу жидкой фазы через трубопровод 7. Образующийся перепад давлений, между резервуаром 1 и регазификатором 5, обеспечивает подъем жидкой фазы по подводящему трубопроводу 7 через клапан 3 в испарительный змеевик 9, где она испаряется за счет теплоты, передаваемой от ТЭНов 10, через слой алюминиевой заливки 11.

6

^ 10 " 11

Рис. 1. Энергосберегающая схема резервуарного газоснабжения с электрическим промышленным регазификатором СУГ

Паровая фаза

Рис. 2. Конструктивное устройство клапана-переключателя подачи паровой и жидкой фаз:

1 - камера жидкой фазы; 2 - уплотнительные кольца; 3 - втулка; 4 - мембрана; 5 - клапан паровой фазы; 6 - камера паровой фазы;

7 - пружина; 8 - регулировочная гайка;

9 - клапан жидкой фазы; 10 - регулировочная гайка

определяется по формуле:

Вследствие теплопритока со стороны грунта давление паров в резервуаре 1 повышается, клапан 3 снова открывается. Газоснабжение потребителей вновь осуществляется за счет подачи паровой фазы из резервуара 1. Цикл повторяется.

Конструкция клапана - переключателя паровой и жидкой фаз приведена на рис. 2. Здесь, подача жидкой фазы в камеру 1 осуществляется в направлении сверху вниз «на клапан», а подача паровой фазы в камеру 6 - в направлении снизу вверх «под клапан».

Экономия электрической энергии на испарение СУГ определяется как отношение количества теплоты, полученной за счет естественной испарительной способности подземного резервуара, к общему количеству теплоты:

дд =іоо дест /

где дест - количество теплоты, полученной от подземного резервуара за счет естественного подвода теплоты от грунта, в период между двумя соседними заправками, Вт; диск - количество электрической энергии, подведенной к регазификатору на нужды испарения жидкой и перегрева паровой фазы СУГ, Вт.

Количество электрической энергии в формуле (1), подведенной к регазификатору на нужды испарения жидкой и перегрева паровой фаз СУГ,

дИСК _ [^Н ^О ) (^РТОХЛ + ^П)][Г + СЖ (^к. ^) + Сп ^ПЕР ^ )] +

+СП {[^ Р ТОХЛ ^ ПЕР

’Р

^Н.ОХЛ ^ Н ^"г ^К.ОХЛ ^ р •С. +Г 4.Г Л1

~)] + Ьп (1ПЕР 1 К.)}’

2

где: ^ Н — масса жидкой фазы (кг) в начале периода охлаждения СУГ в момент, когда давление и соответствующая ему температура насыщенных паров имеют значения Рн и XН ОХЛ (РН); ^ О - количество жидкой фазы в подземном резервуаре перед очередной заправкой, кг; вр - расчетная паропроизводительность электрического регазификатора, численно равная расчетному расходу газа, кг/ч; тохп - продолжительность периода охлаждения СУГ в подземном резервуаре до момента, когда давление и соответствующая ему температура насыщенных паров достигнут значений Рр и XК ОХЛ (РР); - масса жидкой фазы, испаренная под-

земным резервуаром за период попеременного отбора паров СУГ из резервуара и электрического регазификатора, кг; г - скрытая теплота испарения жидкой фазы СУГ, кДж/кг; СЖ , СП - осредненные удельные теплоемкости жидкой и паровой фаз СУГ, кДж/кг-К; X Н ОХЛ (РН) - температура жидкой фазы СУГ в начале периода охлаждения СУГ, когда давление насыщенных паров составит Рн,, оС; XКОХЛ (РР)- температура жидкой фазы СУГ в конце периода охлаждения СУГ, когда давление насыщенных паров составит Рр,, оС; Xн , ХК - температура жидкой фазы СУГ в начале и конце кипения в проточном регазификаторе, оС; хПЕР -

температура перегрева паровой фазы СУГ в проточном регазификаторе, оС.

Предложенная формула (2), в отличие от существующих зависимостей [1, 9], учитывает необходимость затрат энергии:

1) на нагрев жидкой фазы в интервале температур полного выкипания смеси пропан - бутан в проточном регазификаторе от X/ до X/;

2) на нагрев паровой фазы, поступающей из резервуара в течение периода охлаждения от осредненной температуры [ X Н ОХЛ (РН) + XК ОХЛ (РР) ]/2 до температуры перегрева Xперг;

3) на перегрев паровой фазы, поступающей из резервуара в течение попеременного отбора жидкой и паровой фаз от температуры X/ до расчетной температуры перегрева Xперг.

Количество теплоты в формуле (1), полученной от подземного резервуара за счет естественного подвода теплоты от грунта дест, в период между двумя соседними заправками определяется согласно результатам исследований, приведенных в работах [1, 9].

С целью количественной оценки экономии электрической энергии за счет использования теплоты грунта были проведены соответствующие расчеты, при следующих исходных данных.

1. Климатический район - умеренно-холодный.

2. Геометрический объем резервуара - 10,0 м3.

3. Расчетное давление СУГ в резервуаре Рр=0,15 МПа.

4. Содержание пропана в поставляемом газе - 50 мол.%.

5. Остаточный уровень газа в резервуаре - 25%.

6. Расчетная паропроизводительность электрического регазификатора, численно равная расчетному расходу газа Gp = 32 кг/ч.

Проведенные расчеты показали, что среднегодовая величина экономии электрической энергии за счет использования теплоты окружающего резервуар грунта при расходе газа Gp = 32 кг/ч составляют 39,0%.

Выводы

1. Предложены способ экономии электрической энергии на нужды регазификации СУГ с высоким содержанием бутановых фракций путем испарения части жидкой фазы в подземном резервуаре за счет теплоты окружающего грунта и аналитические зависимости (1) и (2) по определению величины сэкономленной энергии.

2. Среднегодовая величина экономии электрической энергии за счет использования теплоты грунта, применительно к резервуару объемом 10,0 м3, оснащенного проточным регазификатором расчетной паропроизводительностью Gp = 32 кг/ч, составляет 39,0%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курицын Б.Н. Системы снабжения сжиженным газом / Б.Н. Курицын. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988. 196 с.

2. Преображенский Н.И. Сжиженные газы / Н.И. Преображенский. Л.: Недра, 1975. 227 с.

3. Стаскевич Н.Л. Справочник по сжиженным углеводородным газам / Н.Л. Стаскевич, Д.Я. Ви-гдорчик. Л.: Недра, 1986. 543 с.

4. Системные исследования по повышению интенсивности теплообмена регазификаторов сжиженного углеводородного газа: монография / А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.В. Рулев и др. Саратов: СГТУ, 2010. 246 с.

5. Рулев А.В. К выбору типа промежуточного теплоносителя для электрических испарителей централизованных систем газоснабжения / А.П. Усачев, А.В. Рулев, А.Ю. Фролов // Научнотехнические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2006. С. 115-124.

6. Усачев А.П. Технико-экономическое обоснование применения электрического испарителя сжиженного углеводородного газа с твердотельным промежуточным теплоносителем / А.П. Усачев, А.В. Рулев // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснаб-жения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2006. С. 150-161.

7. Шурайц А.Л. Технология снабжения пропан бутаном с использованием жидкой фазы / А.Л. Шу-райц // Повышение технического уровня и качества продукции на основе достижений научнотехнического прогресса газовой промышленности: тез. докл. отраслевого семинара. М.: ВНИИЭгазпром, 1989. С. 57-58.

8. Шурайц А.Л. Особенности эксплуатации систем снабжения сжиженными газами с подачей жидкой фазы / А.Л. Шурайц, С.В. Рубинштейн, Н.Н. Морозова // Газовая промышленность. Сер. Передовой производственный и научно-технический опыт, рекомендуемый для внедрения в газовой промышленности: информ. сб. М.: ВНИИЭгазпром, 1989. Вып. 5. С. 78-81.

9. Курицын Б.Н. Резервуарные установки сжиженного газа с комбинированным отбором жидкой и паровой фаз / Б.Н. Курицын, А.П. Усачев, В.П. Богданов // Жилищное и коммунальное хозяйство. 1976. № 9. С. 21-22.

Усачев Александр Прокофьевич - Alexander P. Usachev -

доктор технических наук, профессор Dr. Sc., Professor

кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, Department of Heat, Ventilation, Water Supply

водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» and Applied Fluid Dynamics,

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Шурайц Александр Лазаревич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Рулев Александр Владимирович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Gagarin Saratov State Technical University

Alexander L. Shurayts -

Dr. Sc., Professor

Department of Heat, Ventilation, Water Supply and Applied Fluid Dynamics,

Gagarin Saratov State Technical University

Alexander V. Rulev -

Ph. D., Associate Professor

Department of Heat, Ventilation, Water Supply

and Applied Fluid Dynamics,

Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 22.01.13, принята к опубликованию 20.02.13