ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ГРУНТА В СИСТЕМАХ

Вестник СГТУ. 2013. № 1 (69)
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 паропроизводительностью Gp = 32 кг/ч, составляют 39,0%.
Резервуары-испарители, сжиженный углеводородный газ, смеси пропана
и бутана, методы регазификации, энергосбережение, клапан-отсекатель, электрический регазификатор
148
Энергетика и электротехника
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 резервуарного 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
4
5
9
10
7
2
8
3
11
1
Рис. 1. Энергосберегающая схема резервуарного газоснабжения
с электрическим промышленным регазификатором СУГ
149
Вестник СГТУ. 2013. № 1 (69)
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:
∆Q =100 Qест /(Qиск+ Qест),
(1)
где Qест – количество теплоты, полученной от подземного резервуара за счет естественного подвода
теплоты от грунта, в период между двумя соседними
Рис. 2. Конструктивное устройство клапанапереключателя подачи паровой и жидкой фаз:
заправками, Вт; Qиск – количество электрической энер1 – камера жидкой фазы; 2 – уплотнительные
гии, подведенной к регазификатору на нужды испарекольца; 3 – втулка; 4 – мембрана; 5 – клапан
ния жидкой и перегрева паровой фазы СУГ, Вт.
паровой фазы; 6 – камера паровой фазы;
Количество электрической энергии в форму7 – пружина; 8 – регулировочная гайка;
9 – клапан жидкой фазы; 10 – регулировочная гайка ле (1), подведенной к регазификатору на нужды испарения жидкой и перегрева паровой фаз СУГ,
определяется по формуле:
Г
Г
г
Г Г
Г
Q ИСК = [(ξГН − ξОГ ) − (G Р τОХЛ + ξП )][ r + CЖ
( t к. − t н ) + C П ( t ПЕР − t К )] +
Г
(2)
(Р ) + t
(Р )
tГ
Г
Г
+ С П {[G Р τОХЛ ( t ПЕР −
где:
ξ ГН
Н.ОХЛ
Н
К.ОХЛ
Р )] + ξ ( t Г − t Г )},
П ПЕР
К.
2
– масса жидкой фазы (кг) в начале периода охлаждения СУГ в момент, когда давление и соответ-
ствующая ему температура насыщенных паров имеют значения Рн и t ГН.ОХЛ ( Р Н ) ; ξ ОГ – количество жидкой
фазы в подземном резервуаре перед очередной заправкой, кг; 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 t ГК.ОХЛ ( Р Р ) ; ξп – масса жидкой фазы, испаренная подземным резервуаром за период попеременного отбора паров СУГ из резервуара и электрического регазификатора, кг; r – скрытая теплота испарения жидкой фазы СУГ, кДж/кг; C ГЖ , CГП – осредненные удельные теплоемкости жидкой и паровой фаз СУГ, кДж/кг·К; t ГН.ОХЛ ( Р Н ) – температура жидкой фазы СУГ в начале
периода охлаждения СУГ, когда давление насыщенных паров составит Рн,, оС; t ГК.ОХЛ ( Р Р ) – температура
жидкой фазы СУГ в конце периода охлаждения СУГ, когда давление насыщенных паров составит Рр,, оС;
о
t гн , t гК – температура жидкой фазы СУГ в начале и конце кипения в проточном регазификаторе, С; tгПЕР –
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 tнг до tкг;
2) на нагрев паровой фазы, поступающей из резервуара в течение периода охлаждения от
осредненной температуры [ t ГН.ОХЛ (Р Н ) + t ГК.ОХЛ (Р Р ) ]/2 до температуры перегрева tперг;
3) на перегрев паровой фазы, поступающей из резервуара в течение попеременного отбора
жидкой и паровой фаз от температуры tкг до расчетной температуры перегрева tперг.
150
Энергетика и электротехника
Количество теплоты в формуле (1), полученной от подземного резервуара за счет естественного подвода теплоты от грунта Qест, 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. Вигдорчик. 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 газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2006. С. 150-161.
7. Шурайц А.Л. Технология снабжения пропан бутаном с использованием жидкой фазы / А.Л. Шурайц // 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 –
доктор технических наук, профессор
кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция,
водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика»
Alexander P. Usachev –
Dr. Sc., Professor
Department of Heat, Ventilation, Water Supply
and Applied Fluid Dynamics,
151
Вестник СГТУ. 2013. № 1 (69)
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
152