разработка технических решений и методики расчета по

А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.В. Рулев, Т.А. Усачева, Д.А. Комолева, Д.А. Кривонос
РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДИКИ
РАСЧЕТА ПО ЭКОНОМИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ПРИ РЕГАЗИФИКАЦИИ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО
ГАЗА С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ БУТАНОВЫХ ФРАКЦИЙ
ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ТЕПЛА ГРУНТА
В настоящее
время
при
регазификации
сжиженного глеводородного газа (СУГ) с искусственным испарением актуальной задачей является экономия тепловой и электрической энергии.
В существующих конструкциях жидкая фаза из подземного резервуара
подается в электрический регазификатор, где испаряется за счет тепла, подводимого от трубчатых электрических нагревателей. При этом тепло окружающего
резервуар грунта никак не используется.
С целью экономии электрической
энергии предлагается использовать схему попеременной подачи паровой и жидкой фаз с помощью клапана-переключателя фаз. Согласно предлагаемому техническому решению, 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. Здесь она перегревается, 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 тепловой энергии, подаваемой от трубчатых электронагревателей 10, через слой твердотельного промежуточного теплоносителя 11.
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.
Клапан-переключатель паровой и жидкой фаз был предложен в [1- 3] и
применялся в системах жидкофазного газоснабжения с естественным испарением для подачи жидкой фазы среднего давления без использования жидкофазных регуляторов давления.
В данной работе клапан-переключатель паровой и жидкой фаз используется по новому назначению - для экономии тепловой энергии в системах регазификации с искусственным испарением. Клапан-переключатель паровой и
жидкой фаз состоит из двух камер, соединенных между собой втулками
(рис. 2). Подача газа в камеру паровой фазы 6 осуществляется в направлении
сверху вниз на клапан 5, в камеру жидкой фазы 1- в направлении снизу вверх под
клапан 9.
Величину экономии электрической энергии на испарение СУГ можно оценить по количеству паровой фазы, полученному за счет испарительной способности G подземного резервуара.
Для определения испарительной способности подземного резервуара, оснащенного проточным грунтовым испарителем и используемого в режиме попеременной подачи паровой фазы из резервуара и жидкой фазы из грунтового
испарителя, известно решение, полученное в работе [4].
Однако имеющееся решение не учитывает ряд факторов, существенно влияющих на величину экономии энергии, при использовании для испарения СУГ регазификаторов с искусственным подводом тепла:
1)
необходимость дополнительных затрат энергии в регазификаторе на
нагрев жидкой фазы, охлажденной в резервуаре, в период отбора из него паровой фазы до температуры trн(Pp), по сравнению с вариантом, в котором жидкая
фаза не охлаждается в резервуаре и поступает в испаритель с температурой, равной температуре грунта trн(PH);
2)
необходимость дополнительных затрат энергии в регазификаторе на
перегрев паровой фазы с температуры trK(Pp) до расчетной температуры перегрева
trn(Pp).
где Gp - расчетная паропроизводительность электрического регазификатора,
численно равная расчетному расходу газа, кг/ч; τохл - продолжительность периода охлаждения СУГ в подземном резервуаре до момента, когда давление и соответствующая ему температура насыщенных паров достигнут значений Рр и trH(Pp); ξп- масса жидкой фазы, испаренная подземным резервуаром
за период попеременного отбора паров СУГ из резервуара. Величина ξп в
формуле (1):
где К - коэффициент теплопередачи резервуара, Вт/м2 К; принимается по
данным [5, 6]; FK, Fo — соответственно, смоченная поверхность резервуара в
конце периода охлаждения СУГ и перед очередной заправкой, м 2 ;
trн(Pp) - температура жидкой фазы СУГ в конце периода охлаждения СУГ,
когда давление насыщенных паров достигнет значения Р р; to - температура
СУГ перед очередной заправкой, °С; tгр- температура фунта на отметке заложения оси резервуара, °С; ξог- масса жидкой фазы СУГ в подземном резервуаре перед очередной заправкой, кг; r - скрытая теплота испарения жидкой фазы СУГ, кДж/кг.
Продолжительность периода охлаждения СУГ в подземном резервуаре определяется согласно [4]:
где СгЖ,См - соответственно, осредненные удельные теплоемкости жидкой
фазы СУГ и металлической стенки резервуара, кДж/кг-К;
- соответственно, массы жидкой фазы (кг) в начале и конце периода
охлаждения СУГ, в моменты, когда давление и соответствующая ему теми Рр
пература насыщенных паров достигнут значений
- массы стального резервуара, соответствующие его
смоченным поверхностям в начале FH и конце FK периода охлаждения СУГ,
кг; FH - смоченная поверхность резервуара в начале периода охлаждения
СУГ, м2; tH.оxлг(Рн), tн.охлr(Pp) - соответственно, температуры жидкой фазы СУГ в
начале и конце периода охлаждения СУГ, когда давление насыщенных
паров составит Рн и РР °С.
Величина продолжительности периода охлаждения определяется из
уравнения (3) путем подбора соответствующих значений τохл.
Количество тепловой энергии, полученной от регазификатора за счет
искусственного подвода тепла от тешюэлектронагревателей, в период попеременного отбора паров СУГ из резервуара и электрического регазификатора:
где Спг, Сжг- соответственно, осредненные удельные теплоемкости паровой и
жидкой фаз СУГ, кДж/кг К; tnepr, tкг - соответственно, температуры перегрева
паровой фазы и конца кипения смеси СУГ, °С.
Экономия электрической энергии на испарение СУГ определяется как отношение количества тепловой энергии, полученной за счет естественной
испарительной способности подземного резервуара, к общему количеству теп-
ловой энергии:
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 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 = 30 кг/ч.
Проведенные расчеты показывают, что применение предлагаемой схемы
с частичным отбором паровой фазы из подземного резервуара, оснащенной электрическим регазификатором паропроизводительностью 30-50 кг/ч, позволяет
обеспечить среднегодовую экономию электрической энергии на испарение СУГ,
не менее 39,2%.
Литература
1.
Шурайц А.Л. Система снабжения коммунально-бытовых
потребителей сжиженными газами с попеременной подачей паровой и
жидкой фаз/ А.Л. Шурайц.Саратов: ЦНТИ, 1988. 4 с.
2.
Шурайц А.Л. Технология снабжения пропан-бутаном с
использованием жидкой фазы / А.Л. Шурайц // Повышение технического
уровня и качества продукции на основе достижений научно-технического
прогресса газовой промышленности: тез. докл. отрасл. семинара. М:
ВНИИЭгазпром, 1989. С. 57-58.
3.
Шурайц А.Л. Система жидкофазного газоснабжения/ А.Л. Шурайц,
Е.П. Щуркин, СВ. Рубинштейн // Газовая промышленность. 1988. № 11.
С. 38-40.
4.
Курицын Б.Н. Системы снабжения сжиженным газом/
Б.Н. Курицын. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988. 196 с.
5.
СП 42-101-2003. Общие положения по проектированию и
строительству газораспределительных систем из металлических и
полиэтиленовых труб. М.: ГУЛ ЦГШ, 2003. 165 с.
6.
Строительные нормы и правила РФ (СНиП 42-01-2002)'
Газораспределительные системы. М.: Стройиздат, 2002. 48 с.