Повышение энергои ресурсоэффективности подземных вертикальных резервуаров-испарителей сжиженного углеводородного газа с электронагревом на цели регазификации

УДК 621.6.036

М. А. Усачев

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ-ИСПАРИТЕЛЕЙ

СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА С ЭЛЕКТРОНАГРЕВОМ НА ЦЕЛИ

РЕГАЗИФИКАЦИИ

Приведены результаты исследований по повышению энерго- и ресурсоэффективности подземных вертикальных резервуаров-

испарителей сжиженного углеводородного газа (СУГ) с электронагревом на цели регазификации, заключенных в полимерные футляры, заполненные незамерзающей жидкостью в нижней и газообразным азотом в верхней своей части. Поставленная цель достигается за счет укладки на часть наружной поверхности стального резервуара, начиная от центра днища до отметки, соответствующей величине расчетного уровня заполнения жидкой фазы СУГ перед очередной заправкой, плоского

электронагревательного кабеля, с возможностью его автоматического отключения при достижении температуры инертной жидкости значения, более низкого, чем минимальная температура окружающего грунта.

Энергоэффективность, ресурсоэффективность, вертикальный

резервуар, испаритель, электронагрев, регазификация, сжиженный

углеводородный газ.

M.A. Usachev

ENERGY INCREASE AND RESOURCE EFFICIENCY OF UNDERGROUND VERTICAL TANK-EVAPORATOR LIQUEFIED PETROLEUM GAS WITH ELECTRIC HEATER FOR REGASIFICATION PURPOSES

The results of studies to increase the energy and resource efficiency of ground vertical tank-evaporators liquefied petroleum gas (LPG) with electric heating for regasification entered into polymer casings filled with antifreeze liquid at the bottom and gaseous nitrogen in the upper part are given in the article. This aim is achieved by placing outer surface on a steel tank from the bottom up to the mark of liquid phase LPG filling calculated level before the next refueling, flat electric heating cable with the possibility of automatic shutdown when the inert liquid temperature is lower than minimum temperature of surrounding soil.

Energy efficiency, resource efficiency, vertical tanks, evaporator, electric heating, regasification, liquefied petroleum gas.

В настоящее время на территории Российской Федерации все более широкое распространение получает автономное и резервное энергогазоснабжение на основе подземных вертикальных резервуаров-испарителей (ПВРИ), предназначенных для

хранения и регазификации сжиженного углеводородного газа [1-4]. Для предотвращения коррозионных, механических воздействий и пожара была разработана система комплексной защиты [5-8] путем заключения стального сосуда СУГ в полимерный футляр, частично заполненный инертной жидкостью, начиная от центра его днища, до отметки на боковой поверхности, соответствующей расчетному уровню заполнения стального сосуда жидкой фазой СУГ, а частично - инертным газом, например, газообразным азотом с контролируемым избыточным давлением.

Заполнение пространства футляра инертной жидкостью, имеющей более высокие теплопередающие свойства по сравнению с инертным газом, позволяет уменьшить сопротивление теплопередаче, увеличить величину теплопритока и повысить паропроизводительность резервуара СУГ в нижней части межстенного пространства [9]. Так, при температуре 5,0°С коэффициент теплопроводности инертной жидкости, типа антифриз марки Тосол А40М (53% этиленгликоля и 47% воды), составляет 1И.Ж = 1,12 кДж/м-К, а газообразного азота - 1И.Г = 0,086 кДж/м-К.

Однако зависимость теплопритока к поверхности резервуара [7] от температуры окружающего грунта, особенно в зимний период года, когда величина разности температур между грунтом и поверхностью стального сосуда, соприкасающегося с жидкой фазой СУГ, приводит к снижению паропроизводительности до значений, близких к нулю.

С целью повышения паропроизводительности подземного резервуара СУГ в зимний период года, когда температура грунта снижается до минимальных значений, а тепловая нагрузка на цели отопления достигает максимальных значений в известной конструкции подземного резервуара для хранения и испарения СУГ, содержащего стальной вертикальный сосуд, заключенный в полимерный футляр, согласно решению [10], на всю наружную поверхность стального вертикального сосуда для увеличения его паропроизводительности был навит плоский электронагревательный взрывозащищенный кабель (ЭВК).

Недостатком этого решения являются высокие капитальные вложения в приобретение и установку плоского ЭВК, рассчитанного на всю наружную поверхность стального вертикального сосуда. В то же время минимальная паропроизводительность ПВРИ, являющаяся расчетной, имеет место для наиболее неблагоприятных условий его эксплуатации, когда величина испарительной поверхности и уровень жидкой фазы в стальном сосуде снижаются до минимального значения НСУГ, наблюдаемого перед очередной заправкой СУГ.

Другим недостатком известного решения [10] является возможность повышения температуры инертной жидкости сверх минимальной температуры грунта на отметке, равной расчетному уровню заполнения жидкой фазы НСУГ и, как следствие, возможность теплопотерь в грунтовый массив.

С целью экономии капитальных вложений в приобретение и установку плоского ЭВК и экономии электроэнергии для нужд регазификации в зимний период года, согласно предлагаемому решению (см. рисунок), плоский ЭВК навит на часть наружной поверхности стального вертикального сосуда, начиная от центра днища до отметки, соответствующей величине уровня НР, равного расчетному уровню заполнения жидкой фазы НСУГ в стальном сосуде.

Наружная поверхность плоского ЭВК, соприкасающаяся с инертной жидкостью, с целью снижения теплового потока в эту сторону, покрыта тепловой влагонепроницаемой изоляцией.

Внутри межстенного пространства, ближе к внутренней поверхности полимерного футляра, с целью экономии тепловой энергии на нужды регазификации установлен датчик, подающий сигнал на отключение и включение подачи электроэнергии к плоскому ЭВК при достижении температуры инертной жидкости значения, равного:

где tгpmm - минимальная температура грунта на отметке, равной расчетному уровню заполнения жидкой фазы НСУГ перед очередной заправкой СУГ, °С; Д^ - температурный перепад между грунтом и инертной жидкостью, при котором обеспечивается заданный расчетный часовой расход газа у потребителя, °С; Дtcp - температурный перепад срабатывания системы, отключающей и включающей подачу электроэнергии к ЭВК при достижении температуры инертной жидкости значения, равного (4ртш-Д4)°С; величина Дtcp в формуле (1) при отключении подачи электроэнергии принимается равной минус 0,5°С, при включении - плюс 0,5°С.

Схема расположения греющего электрического кабеля на поверхности подземного резервуара -испарителя, заключенного в полимерный футляр, частично заполненный инертной жидкостью:

1 - стальной вертикальный сосуд СУГ; 2 - жидкая фаза СУГ; 3 - полимерный футляр;

4 - инертная жидкость межстенного пространства; 5 - днище полимерного футляра 3;

6 - боковая поверхность полимерного футляра 3; 7 - плоский электрический взрывозащищенный

влагонепроницаемая изоляция; 10 - датчик, подающий сигнал на отключение и включение подачи

к греющему электрическому кабелю 7; 11 - регулятор давления; 12 - запорная арматура

На наружную поверхность стального вертикального сосуда в его верхней части, с целью перегрева паровой фазы и предотвращения за счет этого образования кристаллогидратов и закупорки ими затворов регуляторов давления и запорной арматуры, уложено расчетное количество витков того же плоского электрического кабеля, что и навитого в нижней части сосуда. Такое техническое решение обеспечивает экономию электрической энергии и исключает тепловые потери от электронагревательного кабеля через слой инертной жидкости в окружающий грунтовый массив. В этом случае можно использовать тепловую энергию грунта в любой период года, включая и самый холодный, за счет того, что минимальная температура грунта tгp,mln будет всегда выше температуры инертной жидкости ж.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунком, где изображена схема подземного резервуара для хранения и испарения СУГ.

Подземный резервуар для хранения и испарения СУГ содержит: стальной вертикальный сосуд 1, заполненный жидкой фазой сжиженного углеводородного газа 2 до

12 11

Н і

р5 гр.тіп

греющий кабель; 8 - днище стального вертикального сосуда СУГ; 9 - тепловая

электроэнергии

величины расчетного уровня НСУГ, заключенный в полимерный футляр 3, с межстенным пространством между ними, частично заполненным инертной жидкостью 4, начиная от центра днища 5 полимерного футляра 3 до отметки на боковой поверхности 6, соответствующей величине НР, равной расчетному уровню заполнения жидкой фазы НСУГ в стальном сосуде 1. При этом на наружную поверхность стального вертикального сосуда 1 навит плоский электронагревательный кабель 7, начиная от центра днища 8 до отметки на боковой поверхности, соответствующей уровню заполнения жидкой фазой НСУГ стального сосуда 1.

Наружная поверхность плоского электронагревательного кабеля 7,

соприкасающаяся с инертной жидкостью 4, с целью снижения теплового потока в эту сторону, покрыта тепловой влагонепроницаемой изоляцией 9.

Внутри межстенного пространства, ближе к внутренней поверхности полимерного футляра 3, с целью экономии электроэнергии для нужд регазификации в зимний период года и предотвращения повышения температуры инертной жидкости сверх значения (tгp.mm-Дtз), установлен датчик 10, подающий сигнал на отключение подачи электроэнергии к плоскому электронагревательному кабелю 7.

Подземный резервуар для хранения и испарения СУГ работает следующим образом.

В зимний период года, когда температура воздуха в газоснабжаемых помещениях уменьшается ниже своей номинальной величины, включается подача электроэнергии на плоский электронагревательный кабель 7, соприкасающийся с инертной жидкостью 4 и передающий тепловую энергию, недостающую для обеспечения расчетной паропроизводительности ПВРИ.

Жидкая фаза сжиженного углеводородного газа 2 испаряется и переходит в газообразное состояние за счет тепловой энергии, передаваемой от грунта и электронагревательного кабеля 7. При этом тепловой поток от ЭВК передается в двух противоположных направлениях:

- кипящей жидкой фазе 2 через стенку стального сосуда 1;

- инертной жидкости 4.

С целью снижения теплового потока в сторону инертной жидкости 4, греющий кабель 7 покрыт тепловой влагонепроницаемой изоляцией 9.

При повышении температуры инертной жидкости 4 сверх величины, равной ^гр. т;п-Д4), датчик 10 передает сигнал на отключение подачи электроэнергии к электронагревательному кабелю 7.

При уменьшении температуры инертной жидкости 4 ниже величины, равной (tгp.mm-Дtз), датчик 10 передает сигнал на включение подачи электроэнергии к электронагревательному кабелю 7.

С целью предотвращения образования кристаллогидратов и закупорки ими затворов регулятора давления 11 и запорной арматуры 12, плоский электронагревательный кабель 7, навитый на наружную поверхность стального вертикального сосуда 1 в его верхней части, осуществляет перегрев образовавшейся паровой фазы.

Экономия электрической энергии на испарение СУГ определяется как отношение количества тепловой энергии, полученной за счет естественной испарительной способности подземного резервуара QeCm, к общему количеству тепловой энергии, переданной ПВРИ на нужды регазификации Qpeг:

где Qecm - количество тепловой энергии, поступающей к наружной поверхности резервуара, заключенного в футляр, из окружающего грунта, Вт.

Количество тепловой энергии на нужды регазификации сжиженного углеводородного газа Qpeг определяется по формуле:

^Qэк 100 Qecm / Qpeг ,

где Quск - количество тепла, подведенного от электронагревательного кабеля, Вт.

После преобразования величина тепловой энергии на нужды регазификации определяется по формуле:

Qрег = &Р у + СП

-Г _ їн

ПЕР 2

где Ор - расчетная паропроизводительность подземного вертикального резервуара-испарителя, численно равная расчетному часовому расходу газа у потребителя, кг/ч; С^ -

осредненная удельная теплоемкость паровой фазы СУГ, кДж/кг К; ^ (Рн), 4(Рн) -соответственно, температуры жидкой и равновесной с ней паровой фазы СУГ в начале отбора и конце отбора перед очередной заправкой, °С; РН, РК - давление насыщенных паров СУГ в начале отбора и конце отбора перед очередной заправкой, МПа.

Количество тепловой энергии, поступающей к наружной поверхности резервуара, заключенного в футляр, из окружающего грунта, определяется согласно результатам исследований [11]:

П __

Qeсm = ^ Qi ; 1 = l, п ,

I=1

где Qi - интенсивность 1-го точечного источника теплоты, Вт, расположенного на оси симметрии и реализующего заданные граничные условия на контуре ПВРИ, определяется в соответствии с математической моделью, приведенной в работе [11].

Определение величины экономии электрической энергии на испарение СУГ осуществляется в следующей последовательности: 1) по формулам (4) и (5) вычисляются значения Qpeг и Qeсm; 2) в формулу (2) подставляются значения Qpeг и Qeсm и определяется величина экономии электрической энергии ДQэк.

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

1. Климатический район - умеренно-холодный.

2. Геометрический объем подземного вертикального резервуара - 4,5 м3.

3. Расчетное избыточное давление СУГ в резервуаре перед очередной заправкой Рр = 0,1 МПа.

4. Содержание пропана в поставляемом газе - 75 мол.%.

5. Остаточный уровень газа в резервуаре перед очередной заправкой - 35%.

6. Расчетная паропроизводительность ПВРИ с электронагревательным кабелем Ор = 7,0 кг/ч при уровне газа в резервуаре перед очередной заправкой - 35%.

Проведенные расчеты показали, что средняя величина экономии электрической энергии в течение зимнего периода эксплуатации, за счет использования тепловой энергии окружающего грунта при расходе газа Ор = 7,0 кг/ч и уровне заполнения резервуара перед очередной заправкой - 35% составляет 31,4%.

Выводы

1. Результаты исследований по повышению энерго- и ресурсоэффективности подземных вертикальных резервуаров-испарителей сжиженного углеводородного газа с электронагревом на цели регазификации, заключенных в полимерные футляры, заполненные незамерзающей жидкостью в нижней своей части и газообразным азотом в верхней части, показали, что поставленная цель достигается за счет укладки на часть наружной поверхности стального резервуара, начиная от центра днища до отметки, соответствующей величине расчетного уровня заполнения жидкой фазы СУГ перед очередной заправкой, плоского электронагревательного кабеля, с возможностью его автоматического отключения при достижении температуры инертной жидкости значения ^.ж = (4р. т;п-Д4) ± Дtсp, то есть более низкого, чем минимальная температура окружающего грунта.

2. Проведенные расчеты показали, что средняя величина экономии электрической энергии в течение зимнего периода эксплуатации, за счет использования тепловой энергии окружающего грунта, при расходе газа Ор = 7,0 кг/ч и уровне заполнения резервуара перед очередной заправкой - 35% составляет 31,4%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Системы автономного и резервного газоснабжения: справ. руководство / под ред. А. Шнайдера. СПб.: Химгазкомплект, 2009. 264 с.

2. Автономное газоснабжение и отопление. СПб.: Химгазкомплект, 2009. 16 с.

3. Технические условия РПВ-04-00 ТУ. Резервуар подземный вертикальный. Саратов: СПИ, Саратовэнергомаш, 1989. 29 с.

4. Установка двух резервуаров подземных вертикальных РПВ: технические решения ТР-4-94. Утв. ОАО «Росгазификация» 08.09.94. Саратов, 1994. 86 с.

5. Свидетельство на полезную модель № 18564. Установка для хранения и распределения сжиженного углеводородного газа / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев, Г. А. Гордеев, В. А. Щербаков (Россия). М., 2001. 8 с.

6. Патент на изобретение № 2187037. Установка для хранения и распределения сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев, М. А. Усачев, Т. А. Усачева // БИ 22 от 10.08.2002. 28 с.

7. Системные исследования комплексной защиты резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.В. Рулев, М. А. Усачев. Саратов: СГТУ, 2009. 212 с.

8. Шурайц А.Л. Разработка системы защиты подземных вертикальных резервуаров

сжиженного углеводородного газа, предназначенных для газоснабжения жилищнокоммунальных и промышленных потребителей / А.Л. Шурайц, А.В. Рулев, М. А. Усачев // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем

газоэнергоснабжения: сб. науч. работ. Саратов: СГТУ, 2009. С. 87-92.

9. Шурайц А.Л. Оценка теплового влияния антифриза, заливаемого в пространство между полимерным футляром и вертикальным резервуаром сжиженного углеводородного газа / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. работ. Саратов: СГТУ, 2009. С. 93-99.

10. Подземные вертикальные резервуары АМИКО с электрообогревом для хранения и использования сжиженного газа. М.: Техно-Италия гранд, 2004. 26 с.

11. Курицын Б.Н. Теплообмен вертикального резервуара вертикального резервуара с грунтом / Б.Н. Курицын, А.П. Усачев, О.Б. Шамин // Совершенствование строительных конструкций, архитектурных решений, технологий и организации строительства: в 2 ч. Саратов: СГТУ, 1996. Ч. II. С. 60-65.

Усачев Максим Александрович -

аспирант кафедры

«Теплогазоснабжение и вентиляция»

Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 15.07.10, принята к опубликованию 30.09.10

Usachev Maksim Aleksandrovich -

Post-graduate student of the Department of «Heat and Gas Supply and Ventilation» of Saratov State Technical University