Файл: Рачевский, Б. С. Транспорт и хранение углеводородных сжиженных газов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 71
Скачиваний: 0
пелия температур в ледопородной оболочке резервуара при запол нении его сжиженным газом.
По параметрам, полученным экспериментальным путем, были рассчитаны температурные напряжения, возникающие в ледопородиой оболочке низкотемпературного резервуара при первоначальном заполнении его сжиженным пропаном. Величина температурных напряжений сравнивалась с данными по прочности на разрыв мерз лых горных пород. Оказалось, что величина температурных напря жений не превышает прочности замороженных пород. Таким обра зом, тепловой удар, возникающий в момент первоначального запол нения ледопородных низкотемпературных резервуаров сжиженным пропаном, не опасен.
Этот вывод был подтвержден экспериментами на опытных под земных низкотемпературных емкостях для хранения пропана. Емкости освобождались от сжиженного газа и при испытании на плотность воздухом давлением 0,2 кгс/см2 показали хорошую гер метичность. Исследования также показали, что, если температурные напряжения превышают прочность мерзлых горных пород, образу ющих ледопородную оболочку подземного резервуара (в случае первоначального заполнения сжиженным метаном), трещины могут возникнуть в весьма тонком ее слое, прилегающем к внутренней поверхности, и не повлияют на прочность и герметичность всего резервуара.
Первоначальное заполнение низкотемпературного ледопородного резервуара сжиженным углеводородным газом не требует предвари тельного захолаживания резервуара и может производиться с любой максимальной скоростью, которую обеспечит холодильное оборудо вание, установленное на хранилище. Однако первоначальное запол нение характеризуется наибольшим теплопритоком из окружающего массива пород к заливаемому продукту и, как следствие этого, высо кой скоростью испарения сжиженного газа. Тепловые нагрузки на холодильное оборудование максимальны и значительно превосхо дят тепловые нагрузки эксплуатационного режима хранилища. Теплоприток к заливаемому сжиженному газу зависит от многих параметров: скорости заполнения, температуры сжиженного газа, теплофизических характеристик замороженной породы, объема ре зервуара, начальной температуры ледопородной оболочки, физиче ских характеристик сжиженного газа.
Величину теплопритока к заливаемому сжиженному газу можно определить по формуле [43]
X ( t c p - t n p ) |
I ^ R sP + iG s?uX \ ' |
( 4.55) |
||
УшпВр |
\ |
Vx |
) |
|
где % — теплопроводность замороженных горных пород; tcp — сред няя температура ледопородной оболочки до заполнения резервуара; tnр — температура заливаемого сжиженного газа; R — радиус резервуара; р — плотность заливаемого сжиженного газа; 6?зап — скорость заполнения резервуара; т — время заполнения резервуара.
199
Время первоначального заполнения низкотемпературного ледо породного резервуара СУГ при установке на хранилище холодиль ного комплекса, обеспечивающего эксплуатационные параметры работы, больше эксплуатационного времени заполнения. Перво начальное заполнение резервуара для технологической схемы (с внешним охлаждением сжиженного газа) можно осуществить в экс плуатационное время способом конденсации паров газа на струях переохлажденного заливаемого продукта, подавая сжиженный газ переохлажденным до некоторой температуры. Переохлажденный про дукт в виде мелких раздробленных струй впрыскивается в паровое пространство резервуара. Вследствие разности температур пере охлажденной жидкости и паров произойдет их конденсация на струях переохлажденной жидкости, сопровождаемая соответствующим сни жением упругости паров.
Учитывая, что холодильное оборудование на низкотемператур ных хранилищах СУГ рассчитывается по эксплуатационным пара метрам работы, рекомендуется:
первоначальное заполнение ледопородных низкотемпературных резервуаров при технологической схеме залива с технологическим охлаждением сжиженного газа производить способом растяжения времени заполнения;
первоначальное заполнение ледопородных низкотемпературных резервуаров при технологической схеме залива с внешним циклом охлаждения сжиженного газа производить способом конденсации
паров сжиженного газа на |
струях переохлажденного продукта. |
В процессе эксплуатации, |
благодаря теплообмену между охла |
жденным сжиженным газом и окружающим массивом горных пород, ледопородная оболочка увеличивается в объеме и через несколько лет с наступлением теплового равновесного состояния рост оболочки пре кращается. Ледопородная оболочка выполняет роль теплоизоляции.
Наиболее распространенная форма низкотемпературных ледо породных резервуаров — вертикальный цилиндр (высотой //, равной! диаметру D), примыкающий верхним торцом к дневной поверхности.
Получить точное выражение температурного поля, по которому определяют теплоприток к цилиндрической емкости во влажных промерзающих породах, не удается, поэтому задачи для получения простых зависимостей, пригодных для использования в инженерных расчетах, приходится решать приблизительно.
Проведенные экспериментальные исследования температурных полей цилиндрических емкостей на физических моделях показывают [251, что при условии ж/г0 > 1,2 (я — текущий радиус от центра емкости и г 0 радиус емкости) изотермические поверхности при ближаются к сферическим и по мере удаления от емкости практи чески превращаются в сферы.
С учетом изложенного теплоприток к подземной части ледопо родного резервуара приближенно можно определить по формуле [25]
28nXjtnprH
9 (R -r) |
(4.56) |
|
200
гдо Я j теплопроводность мерзлых пород; tnp — температура хра нимого сжиженного газа; г — радиус эквивалентной сферы; R — радиус промерзания ледопородной оболочки.
Радиус эквивалентной сферы г определяется по формуле
/■ |
(4.57) |
где D — диаметр резервуара.
Радиус промерзания ледопородной оболочки определяется из соотношения
15 свою очередь ср определяется по критерию инвариантности тепловых потоков / и безразмерному времени т
1= Я]Дпр
(4.58)
где Я 2 — коэффициент теплопроводности талого грунта; ккалДм • ч • °С);
t |
— температура горного массива. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
(ГГ2 |
|
|
|
(4.59) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь |
Т — время |
промерзания; а — теплота фазового |
перехода |
|||||
воды в |
лед. |
|
|
|
|
|
и т. |
|
|
|
Б табл. 43 приведены значения ф в зависимости от / |
|
|||||||
|
Пример. Рассчитать |
теплоприток |
для емкости |
объемом 20 тыс. м3 |
{!) = |
||||
=29,4 м) по истечении |
пяти лет |
(Т = |
43 800 |
ч) после заполнения, |
если Я, = |
||||
= 2,5 ккалДм -ч-°С), Я2 |
== 1,5 ккалДм-ч-°С), |
inp = |
—40°С, t --- + 8°С, |
а = |
|||||
= |
30 000 |
ккал/м3. |
эквивалентной сферы |
|
|
|
|
||
|
Определяем радиус |
|
|
|
|
||||
|
|
|
т-= 4^-= у -29,4 /Й 5 = 1 8 |
м. |
|
|
|||
|
Вычисляем параметры / и т |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
/ = |
„ ^ д р |
= |
1,0 -8 |
|
|
|
|
|
|
|
Aot |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Я^прГ _ |
2,5 ( — 40) 43 800 |
|
|
|
||
|
|
Т~ |
аг2 |
|
30000-182 |
~ и’ |
|
|
|
Интерполяцией по табл. 43 находим безразмерный радиус промерзания 1,74. Определяем радиус промерзания
R -=Ф - г — 1,74 • 18 = 31,3 м.
Искомый теплоприток но формуле (4.56) составляет
Q= — |
28-3,14-2,5 (-40)-18 |
-31,3 |
41270 ккал/ч. |
9 ■(31,3 — 18) |
|
||
|
|
201
2?
з |
|
|
|
0,0012920 |
0,0053429 |
0,0227653 |
0,1685916 |
0,8532817 |
0,9011080 |
14,5583800 |
32.5135280 |
||||||||||||
VO |
|
|
о |
||||||||||||||||||||
|
|
|
со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ш |
0,0012919 |
|
0,0053460 |
|
0,0227864 |
|
0,1689879 |
|
0,8574058 |
4,9511418 |
14,7922820 |
|
33,2425350 |
||||||||
|
промерзаниярадиуса |
|
eg |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
инвариантностиI |
о |
0,0012932 |
|
0,0053500 |
|
0,0228192 |
|
0,1695840 |
|
0.8636704 |
0,0283295 |
|
15,1590047 |
|
34,4058290 |
||||||||
|
|
сд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ь> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
безразмерного |
Критерий |
|
|
0,0012941 |
|
0,0053568 |
|
0,0228722 |
|
0,1705847 |
|
0,8743365 |
|
5,1630359 |
15,8167840 |
|
36,5577420 |
||||||
|
Определение |
|
о |
|
0,0012959 |
0,0053669 |
0,0229777 |
0,1726235 |
0,8965670 |
5,4579062 |
17,3424380 |
|
41,9081865 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
иО |
0,0013035 |
0,0054060 |
0,0232991 |
0,1790773 |
0,9715327 |
6.6238436 |
24,9436097 |
81,4156870 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
ния<р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Радиус промерза |
ю о о о о о о о |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
o ^ N i o q q o c |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
«г—Г'ГН^Т-Г<Г-Гсм'СО*Vf LO* |
|||||||||||||||||||
11а низкотемпературном хранилище с ледопородными резервуарами осуществляют ся следующие операции:
осушка сжиженного газа; охлаждение сжиженного газа и заполнение резервуа
ров; хранение сжиженного газа
с поддержанием в резевуарах
рабочего |
давления, |
рав |
ного 200—500 мм вод. ст.; |
||
выдача сжиженного |
газа. |
|
Далее приведены примеры |
||
сооружения |
низкотемпера |
|
турных хранилищ с ледопо родными резервуарами для хранения сжиженных угле водородных газов [731.
На территории нефтепере рабатывающего завода, вбли зи Соленого озера, в штате Юта (США), сооружена емкость для хранения сжи женного пропана. Геологи ческие условия участка со оружения представляют хо роший пример использования проницаемых водоносных отложений. Разрез предста влен переслаиванием песчано алевритовых пород, гравия с включением гальки и от дельных прослоев песчаной глины и глинистых алеври тов в нижней части разреза. 11а глубине примерно около 35 м залегает кровля мощ ного пласта алевритовой глины с хорошими инфильтрационными свойствами. Этот пласт и был принят для за глубления замораживающих колонок. Проходка емкости в таких условиях могла быть обеспечена только в резуль тате предварительного за мораживания пород. Диаметр
202
емкости составляет около 31 м, а глубина — около 30 м. Перед проектированием производился отбор керна с ненарушенной струк турой. В лабораторных условиях оценивались структурно-текстур ные свойства образцов при замораживании, определялись физические и термические свойства.
Известны еще две емкости для хранения жидкого пропана. Пер вая — в штате Делавэр (США) около Ныо-Кастл объемом почти 80 тыс. м3 сооружена по описанной выше схеме компанией «Тайдуотер ойл». Вторая, небольшая по объему (около 8 тыс. м3), ем кость — в Канаде, штат Квебек, Восточный Монреаль, отличается от всех описанных ранее. Здесь для стенок используются породы кристаллического типа. Известно, что емкость хранилища соору жена в известняках, где, очевидно, не требуется предварительного замораживания, а сооружение начинается с проходки емкости, кото рая затем заполняется по обычной схеме.
ТЕХНИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ
Хранение сжиженных газов в основном сосредоточено в резер вуарных парках заводов-изготовителей (ГПЗ, НПЗ) и в районах потребления на кустовых базах и газонаполнительных станциях. В настоящее время в СССР сжиженные углеводородные газы хра нятся под давлением в горизонтальных цилиндрических резервуарах объемом до 200 м3 и сферических резервуарах объемом до 600 м3. Рас ход металла только на изготовление оболочки цилиндрических резер вуаров колеблется от 160 до 370 кг на 1 м3 полезной емкости, а их стоимость достигает 140—190 руб./м3 полезной емкости. Изготовление сферических резервуаров объемом 600 м3 (с обвязкой) требует рас хода металла: на резервуары для хранения сжиженного бутана — 108 кг/м3, на резервуары для пропана — 236 кг/м3. Стоимость их сооружения с фундаментами и обвалованием достигает соответствен но 48 и 105 руб./м3. Разработанные институтом «Проектстальконструкция» сферические резервуары для пропана объемом 900 м3 тоже весьма металлоемки и дороги. Расход металла на их сооруже ние с обвязкой составляет около 230 кг/м3, а стоимость сооружения с фундаментами и обваловыванием достигает 106 руб. на 1 м3 полез ного объема.
Согласно существующим нормам и правилам установки резервуа ров под давлением для сжиженных газов емкость группы резер вуаров не должна превышать 8000 м3 с соблюдением противопожар ных разрывов между группами не менее 500 м. Поэтому для строи тельства на базе резервуаров под давлением требуются большие площади, значительно превышающие площади, занятые другими объектами производства. Увеличение площадей требует большей протяженности трубопроводов, инженерных коммуникаций и дорог,
203