WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

Пятая глава посвящена разработке основрасчета и оптимизации геометрических параметров СКЗ парожидкостных трубопроводовбаз хранения СУГ путем заключения их вполимерные теплоизолированные футляры,заполненные инертным газом с контролируемымипараметрами.

Задачатранспортировки жидкой фазы на территорииАГЗС, МТАЗС и аналогичных объектов сильноосложняется частичным ее испарениемвследствиетеплообменас окружающей средой. Для уменьшениятеплопотерь, а также для реализациитребований пожаробезопасности двустенныежидкофазныетрубопроводы СУГ выполняютсятеплоизолированными с наружной стороны футляра.

С целью повышенияэффективности предлагаемых СКЗ разработанаконструкция, вкоторой тепловая изоляциянакладывается на внутреннююповерхность герметичного футляра(рисунок 11, б) составлением пространства между теплоизоляцией и парожидкостным трубопроводом СУГ, котороезаполнено азотом под избыточнымдавлением.


а)б)

а – расчетная схема;б –фрагмент в сечениях I-I и II-II

Рисунок 11 К определениюоптимальных геометрическихпараметров
защитногофутляра сзаключеннымвнутри него трубопроводом

С учетом того чтогеометрические параметры футляра, толщинытеплоизоляции и кольцевого пространствазависят, в первую очередь,от величины внутреннего диаметрапарожидкостного трубопровода СУГ (рисунок 11), задачарешаетсяпоследовательно в два этапа:

первый этап определениедиаметра трубопроводаигидравлических сопротивлений притечении по нему насыщенныхпарожидкостных смесей СУГ в условияхтеплообмена с окружающей средой;

второй этап определениеоптимальных геометрических параметровпредлагаемой конструкции теплоизолированного футляра с расположенным внутринего парожидкостным трубопроводомСУГ.

Н а п е р в о м э т а п ебыли проведены теоретические иэкспериментальные исследования, в результатекоторых наоснове известных соотношений гидро- и термодинамики всочетании с корреляцией Антуана в п е рв ы е получена система уравнений(32) (34),позволяющая определять диаметр трубопроводов и коэффициентгидравлического сопротивления при течении насыщенных парожидкостных смесейСУГ в условиях теплообмена с окружающей средой:

;

(32)
; ;

;.

В качестве замыкающихв (32) используются следующиесоотношения:

; (33)

.(34)

Конкретнойзадачей экспериментальныхисследований, проведенных вОАО «Гипрониигаз»,являлось обоснование возможностиприменения формул (33) для определенияпаросодержания и (34) для определения коэф­фициентагидравлического сопротивления спарожидкостной смеси насыщенного СУГ вусловиях теплообмена с окружающей средой,первоначально полученных МамаевымВ.А., Одишария Г.Э., КлапчукомО.В. применительно квоздухо-водяным смесям при ихадиабатическом пробковом течении вгоризонтальных и слабонаклонныхтрубопроводах.

Сравнение расчетных значений истинногопаросодержания расч иприведенного коэффициента гидравлическогосопротивления расч= с/жпарожидкостной смеси СУГ, полученных поформулам (33) и (34) для адиабатическихпотоков, сэкспериментальными значениями в условияхподвода тепла (рисунки12, 13) показало, что максимальное относительноеотклонение экспериментальных значений оттеоретических, не превышает 15,2 %.

Хорошее согласование опытных ирасчетных дан­ных позволяет рекомендовать использовать расчетные формулы (32) (34) в инженерной практике для определениязначений истинного паросодержаниярасч и гидравлического сопротивления с.расч применительно к парожидкостнойсмеси СУГ при ее пробковом течении вгоризонтальных и слабонаклонныхтрубопроводах в условиях теплообмена с окружающей средой.

На базеполученных аналитическихзависимостей (32) (34) разработана программа определения гидравлическихсопротивлений при течении парожидкостной смеси СУГв горизонтальном трубопроводе в условияхтеплообмена с окружающей средой.

Н а в т о р о м эт а п е проводилась оптимизацияосновных геометрических параметровэлементов защитного футляра с размещеннымвнутри него трубопроводом: внутреннегодиаметра трубопровода d1 длятранспортировки парожидкостной смеси СУГот подземных резервуаров к пунктамтопливораздачи (рисунок 11); толщинытепловой изоляции 3, накладываемой навнутреннюю поверхность полимерногофутляра, перепада давления р5, создаваемогонасосом и численно равногогидравлическому сопротивлению при течениипарожидкостной смеси СУГ втрубопроводе на участке от насоса дотопливораздаточной колонки.

Рисунок 12 Сопоставление экспериментальных значенийприведенного коэффициентагидравлического сопротивления эксп и теоретическихвеличин расч, рассчитанных поформуле(34)

Рисунок 13 Сравнение экспериментальных значений эксп, полученных при различных значенияхудельной тепловой нагрузки ql/G,
стеоретическими значениями расч., полученными по уравнению (33) дляадиабатических потоков

Задача оптимизацииформулируется следующим образом.

В трубопровод 1внутренним диаметром d1и длинойL1, заключенный в полимерный футляр 4,заполненный азотом (рисунок11), со слоемтеплоизоляции 3, уложенной с внутреннейстороны футляра, и с кольцевымпространством 2 между ней и внутреннимтрубопроводом СУГ из резервуара 6 спомощью насоса 5 подается жидкая фаза СУГ с массовымрасходом G, которая затем поступает в топливораздаточныеустройства 7.

К наружной поверхностижидкофазного трубопровода 1 черезфутляр 4 и межтрубное пространство 2 спостоянной интенсивностью подводитсятепловой поток Q из окружающейсреды с температурой tО.Течение насыщенного СУГ от сечения I до сечения II, при еготеплообмене с окружающей средой,сопровождается испарением частижидкой фазы и образованиемпаровой. Порезультатам теоретических расчетов иэкспериментальных исследований, изменение паросодержанияпроисходит в следующих пределах: истинногообъемного 0 0,72,массового 0 Х 0,15,что приводит к изменению режимов течения отпузырькового (сечение II) до пробкового.Транспортировка жидкойфазы к топливораздаточным колонкам 7 снепрерывно увеличивающимсяпаросодержанием осложняет заправкубаллонов 10 автотранспортных средств наАГЗС и МТАЗС, приводит к увеличениюдиаметра d1, и какследствие d4, атакже капвложений К1в парожидкостный трубопровод и К4 футляр.

С другой стороны,увеличение паросодержания, при неизменныхвеличинах диаметраd1 и капвложений К1 в парожидкостныйтрубопровод 1, приводит к пропорциональному увеличению скоростипарожидкостной смеси и гидравлическогосопротивления, численно равного перепадудавления р5,создаваемого насосом. Это, в свою очередь,увеличивает расход электроэнергии насосом5 на перекачку СУГ, затраты на ее оплатуИ5.

С целью уменьшениятеплопритока и сокращенияпарообразования ПЖТ покрываетсятепловой изоляцией 3 толщиной 3,что приводит куменьшению перепада давления р5, создаваемогонасосом, затрат электроэнергии длясоздания перепада давленияр5 иэксплуатационных расходовна их оплату И5.Вместе с этим увеличение толщины тепловойизоляции 3 приводит кувеличению капвложений К3в ее приобретение имонтаж.

Таким образом, толщина3 тепловойизоляции, величина внутреннего диаметра d1ПЖТ и перепад давления р5, создаваемыйнасосом, оказывают взаимное влияние навеличины Кр и Ир, аследовательно, являются управляющими параметрами моделиоптимизации двустенноготеплоизолированного трубопровода СУГ.

В целях определенияоптимальных параметровзащитного футляра сзаключеннымв него трубопроводом в пе р в ы еразработана математическаямодель, включающая критерийоптимальности целевой функции (35),балансовое уравнение тепловой энергии (36) [(37)],систему ограничений управляющихпараметров(38), уравнения для элементовзатрат (39) (50)и позволяющая определять оптимальные диаметр итолщину тепловой изоляции футляра,диаметр заключенногов футляр парожидкостноготрубопровода ипотери давления при течении СУГ:

Зi =atИР[d1(c,с),3,Р5]+KР[d1(c,с),3, Р5](1+аt·р)} = min. (35)

Б а л а н с о в о еу р а в н е н и е тепловой энергии,переданной СУГ через стенки футляра итепловой изоляции парожидкостной смеси из внешней системы (окружающей среды)Qt.п и затраченнойна испарение части жидкой фазы Qt.и :

Qt.п = Qt.и, (36)

или в развернутомвиде:

.(37)

С и с т е м а о г ра н и ч е н и й управляющих параметровцелевой функции имеет следующийвид:

d1 min d1 d1 max ;3 min 3 3 max; P5 min P5 P5max.(38)

Капитальные вложенияKР для всехэлементов футляра 4, заполненногоазотом, со слоем теплоизоляции 3 и сзаключенным внутри негопарожидкостным трубопроводомопределяются по формулам:

К1= к1 1 [(d1+ 21)2 d12]L1; (39)

К2 = к2 [(d1+ 21+22)2 (d1+ 21)2]L1; (40)

К3 = к3 3 [(d1+ 21+22+23)2 (d1+ 21+22)2] L1; (41)

К4 = к4 4 [(d1+ 21+22+23+24)2 (d1+ 21+22+23)2] L2 ;(42)

И5(d1,3, Р5) = С5 5,(43)

P5 =Ро –Р*;(44)

; ;.(45)

Коэффициенты S3* и S4* определяются изсистемы уравнений, полученной с использованиемметода неопределенныхкоэффициентов:

, (46)

где

;(47)

;(48)

;

; ;, (49)

гдеa2,b2,2 - численныепараметры.

Здесь ; корнимногочленов. (50)

Определениеоптимальных геометрических параметровдвустенного трубопровода согласно целевой функции(35) с учетом (36) (50)осуществлялось методом направленного поискаминимума интегральныхзатрат каждой из независимых переменных градиентнымметодом.Результаты расчетов по формулам
(35) (50) показывают,что оптимальные значения внутреннегодиаметра жидкофазноготрубопровода, толщинытепловой изоляции иперепада давления, создаваемого насосом, составляютсоответственно d1.opt =14,3 мм, 3.opt =8,5 мм,
P5 opt =8·10-3 МПа. В этом случае к установкепринимаются ближайшие стандартныетипоразмеры геометрическихпараметров: d1.opt.с =15,0 мм,
3.opt.с =9,0 мм.

Оптимальнаявеличина внутреннего диаметрафутляра трубопровода СУГпересчитывается по оптимальнымзначениям d1.opt.с, 3.opt.с следующим образом:

d4 оpt.= d1.оpt.с+ 21 +22 +2 3.opt.с = 15 +23,5+24 +29,5 = 49мм. (51)

В этом случае кустановке принимаетсяближайший стандартныйтипоразмер: d4.opt.с = 50,0 мм.

Результаты проведенной оптимизации СКЗтрубопроводов включеныв СТО03321549-001-2008 «Рекомендации пообоснованию вариантасистемы комплекснойзащитыпарожидкостныхтрубопроводов СУГ и оптимизации еепараметров» для дальнейшегопрактического использованияпроектно-конструкторскими, монтажнымиорганизациями и заводами-изготовителями.

По результатам диссертационных исследований выпущен ряднормативных документов, разработанатехническая документация, согласнокоторой налажено серийное изготовление предлагаемыхСКЗ. В настоящее время на АГЗС, МТАЗС РоссийскойФедерации эксплуатируеюсясвыше 185 технологическихсистем хранения и распределения СУГ, оснащенныхпредлагаемыми СКЗ.

Основные выводы

1.В результате анализа выявленвысокий уровень пожаро-, взрыво- иэкологической опасностисуществующих резервуаров итрубопроводов СУГ на АГЗС, МТАЗС, ГНС иобоснована необходимость разработкисистем комплексной защиты РТ от опасныхвоздействий.

2. Предложен системный методразработки СКЗ резервуаров итрубопроводов СУГ, позволяющий наоснове выявления целевыхфункций и задания имминимальных нормативных значений получитьмодель устройства СКЗ, уменьшающей вероятность разгерметизации с10-3 год-1 для существующиханалогов до 10-8 год-1.Метод отличается универсальностью ипозволяет получать модели сложныхтехнических систем в различных областяхприкладной науки и техники. Применениеметода позволяет свести к минимумууровень риска при реализации новыхразработок в условиях их венчурногофинансирования. Метод апробирован приразработке трех технических систем иреализован в рамках программы «Старт2008».

3. Разработаны ивнедрены новые технические решениякомплексной защиты на основе предложенноймодели путем заключения резервуаров итрубопроводов взащитные футляры, заполненные азотом савтоматическим контролем верхней и нижнейграниц давления.

4. На основеаналитических зависимостей дляопределения эксплуатационныхпараметров предлагаемой СКЗразработаны и внедрены техническиерешения и даны рекомендации по предотвращениюкоррозии наружных поверхностейподземных резервуаров итрубопроводов СУГ. Экспериментальная ипромышленная проверки подтверждаютдостоверность предложенных аналитическихзависимостей с погрешностью 13,4 %.

5. Предложенаэкономико-математическая модель,разработаны на ее основе и внедренырекомендации по оптимизации системкомплексной защиты РТ СУГ, заключенных вполимерный футляр, позволяющие получатьдостоверные результаты в условияхнеопределенности исходной экономическойинформации.

6. Разработан и внедреналгоритм обоснования типа СКЗрезервуаров и трубопроводов СУГ в условияхнеопределенности конвертирования ценовыхфакторов. При использовании предлагаемойсистемы комплексной защиты достигаетсяэкономия интегральных затрат вразмере 84 %.

7. Даны методическиерекомендации по выявлению экономическицелесообразной формы и определениюоптимальных геометрических параметровзащитных полимерных футляров длярезервуаров СУГ, позволяющие сократитькапитальные вложения в них на 77,9 %.

8. На основепредложенной математической моделиразработаны и внедрены рекомендациипо определению оптимальных диаметра итолщины тепловой изоляции футляра,диаметра заключенного в футлярпарожидкостного трубопровода и потерьдавления при течении СУГ.

9. На базе полученныханалитических зависимостей и инженерногоалгоритма разработана программа определениягидравлических сопротивлений при течениипарожидкостной смеси СУГ вгоризонтальном трубопроводе в условияхтеплообмена с окружающей средой,использованная в рекомендациях по определениюоптимальных параметров футлярапарожидкостного трубопровода СУГ.

10. Внедрениерезультатов исследований в практикупроектных, строительных, эксплуатационныхорганизаций и заводов-изготовителейпозволяет уменьшить уровеньиндивидуального риска до значений: Ринд < 10-8 год-1. Подтвержденный экономическийэффект от внедрения 185 технологическихсистем хранения и распределения СУГ,оснащенных предлагаемыми СКЗ, составляет356,0 млн руб.

Основные результаты работыопубликованы в следующих научныхтрудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы,
рекомендованныеВАК Министерства образования и наукиРФ

1. ШурайцА.Л. Разработка системы комплекснойзащиты подземных резервуаров итрубопроводов сжиженногоуглеводородного газа путем заключения вфутляр, заполненный азотом //НТЖ «Проблемы сбора, подготовки итранспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР.– Уфа, 2008.– Вып. № 2(72). – С.75-85.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»