Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Обзор существующей техники и технологии транспортировки сжиженного природного газа по трубопроводам
1.1. Отечественный и зарубежный опыт в производстве, хранении, транспортировке и использовании СПГ 8
1.2. Магистральный трубопроводный транспорт СПГ 12
1.3. Транспортировка СПГ по технологическим трубопроводам комплексов получения, хранения и выдачи СПГ 14
1.4. Низконапорная транспортировка нефтепродуктов и сжиженных углеводородных газов 16
1.5. Этапы в работе криогенного трубопровода и режимы транспортировки СПГ 19
1.6. Существующие конструкции криогенных трубопроводов 21
1.7. Применяемые технологические приемы для устранения "гейзерного" эффекта 29
Выводы по главе 31
Глава вторая. Теоретические исследования новой схемы низконапорной транспортировки СПГ
2.1. Разработка принципиальной схемы низконапорной транспортировки СПГ и конструкции вертикального трубопровода 33
2.2. Постановка задачи исследования транспортировки СПГ по низконапорному трубопроводу 36
2.3. Основные теплофизические свойства СПГ 38
2.4. Разработка метода расчета однофазной транспортировки СПГ по низконапорному трубопроводу 2.4.1. Гидравлический расчет низконапорной транспортировки СПГ 40
2.4.2. Расчет термодинамического состояния СПГ при низконапорной транспортировке 44
2.5. Разработка метода расчета транспортировки СПГ с частичным
испарением по низконапорному трубопроводу 50
2.5.1. Существующие математические модели двухфазного потока в трубопроводе .50
2.5.2. Существующий метод численного расчета параметров двухфазного потока 52
2.5.3. Предложенный метод расчета транспортировки СПГ
с частичным испарением по низконапорному трубопроводу 53
2.6. Разработка метода расчета параметров схемы низконапорной транспортировки СПГ 57
Выводы по главе 62
Глава третья. Экспериментальные исследования низконапорной транспортировки криогенной жидкости по трубопроводу
3.1. Задачи, методы и средства экспериментального исследования
новой низконапорной транспортировки криогенной жидкости 63
3.2. Методика проведения экспериментального исследования низконапорной транспортировки жидкого азота 67
3.3. Результаты исследования температурного режима низконапорной транспортировки жидкого азота 72
3.4. Исследование зависимости паросодержания потока от вакуума в ресивере и коэффициента перфорации перегородки 76
Выводы по главе 78
Глава четвертая. Результаты промышленной реализации новой схемы низконапорной транспортировки СПГ
4.1. Реализация новой схемы низконапорной транспортировки СПГ для транспортировки по трубопроводам других криогенных жидкостей .79
4.2. Использование криогенных температур при строительстве магистральных газопроводов 80
Выводы по главе 85
Глава пятая. Технико-экономическое обоснование ромышленной реализации новых технических решений
5.1. Определение годового экономического эффекта новой схемы низконапорной транспортировки СПГ S6
5.1.1. Определение сметной стоимости транспортировки СПГ с помощью насоса 86
5.1.2. Определение сметной стоимости новой схемы низконапорной транспортировки СПГ 90
5.2. Экономическая эффективность новой схемы низконапорной транспортировки жидкого азота при замораживании полотна автодороги 95
Выводы по главе 99
Основные выводы по работе 100
Заключение 101
Библиографический список литературы
- Магистральный трубопроводный транспорт СПГ
- Постановка задачи исследования транспортировки СПГ по низконапорному трубопроводу
- Методика проведения экспериментального исследования низконапорной транспортировки жидкого азота
- Использование криогенных температур при строительстве магистральных газопроводов
Введение к работе
Актуальность. Развитие газовой промышленности в России в ближайшие годы неразрывно связано с использованием сжиженного природного газа (СПГ) Мировой рынок производства и потребления СПГ развивается из-за необходимости доставки природного газа из стран с избыточными ресурсами в страны, испытывающие недостаток в этом виде топлива, в условиях, когда строительство магистральных газопроводов оказывается очень дорогим или невозможным При этом СПГ транспортируют морским путем в танкерах-метановозах на перевалочные базы, доставка СПГ потребителям осуществляется в криогенных резервуарах автомобильным и железнодорожным видами транспорта
Разгрузка и наполнение транспортных резервуаров производится на перевалочных базах по технологическим трубопроводам При этом широко используются следующие методы транспортировки СПГ с помощью насосов, наддувом инертного газа в хранилище или самонаддувом паров СПГ, полученных в испарителе
В случае, когда позволяет рельеф местности, наиболее целесообразна транспортировка СПГ по низконапорным трубопроводам за счет действия силы тяжести В этом случае значительно снижены затраты электроэнергии, не используются насосные агрегаты большой производительности, отпадает необходимость в поднятии высокого давления в хранилище, которое может привести к разрыву его стенок
Однако при транспортировке СПГ по трубопроводам за счет теплопритоков образуется двухфазный поток, который на вертикальных участках трубопровода создает "гейзерный" эффект — выброс парожидкостной смеси обратно в опорожняемое хранилище, что значительно снижает эффективность транспортировки СПГ по низконапорным трубопроводам
Поэтому исследование методов повышения эффективности транспортировки СПГ по низконапорным трубопроводам относится к актуальным научным задачам газовой промышленности
Целью работы является разработка новых технических решений и методов их расчета для повышения эффективности транспортировки СПГ по низконапорным трубопроводам
Задачи исследования. Поставленная цель достигается путем решения ряда взаимосвязанных задач
изучение технологии и методов транспортировки криогенных жидкостей по трубопроводам, режимов двухфазных потоков в вертикальных трубопроводах,
разработка новых технических решений для транспортировки СПГ по низконапорному трубопроводу путем устранения паровой фазы на вертикальном участке трубопровода,
создание экспериментальной модели новой схемы низконапорной транспортировки СПГ для исследования ее работы в полевых и производственных условиях,
разработка методов расчета параметров транспортировки СПГ по низконапорным трубопроводам,
разработка метода расчета оптимальных параметров новой схемы низконапорной транспортировки СПГ, при которых в вертикальном трубопроводе происходит удаление паровой фазы
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем В работе обоснована новая схема низконапорной транспортировки СПГ и конструкция вертикального трубопровода, позволяющие повысить эффективность транспортировки СПГ
Предложен метод расчета потока СПГ, транспортируемого по низконапорному трубопроводу, позволяющий определить длину участка однофазного потока и параметры его состояния в каждом сечении
Разработан новый метод расчета низконапорной транспортировки СПГ по вертикальному трубопроводу, позволяющий определить параметры двухфазного потока в каждом его сечении
Впервые разработан метод расчета новой схемы низконапорной транспортировки СПГ, позволяющий определить ее параметры, при которых устраняется двухфазность потока, что приводит к увеличению массового расхода криогенного продукта
На защиту выносятся следующие положения
схема низконапорной транспортировки СПГ и конструкция вертикального трубопровода, защищенные патентами,
метод расчета транспортировки СПГ в однофазном состоянии по низконапорному трубопроводу,
метод расчета транспортировки СПГ с частичным испарением по вертикальным низконапорным трубопроводам,
метод расчета параметров новой схемы низконапорной транспортировки СПГ, устраняющий "гейзерный" эффект
Практическая ценность работы. В связи с тем, что в России только начинает развиваться технология транспортировки природного газа в сжиженном состоянии, предложенные технические решения и методы их расчета нашли применение в сопутствующих отраслях газовой промышленности при транспортировке по технологическим трубопроводам других криогенных жидкостей (азот, кислород) и в строительстве зимних автомобильных дорог, использующем методы низкотемпературного замораживания водонасыщенных грунтов
Методические разработки автора используются в учебном процессе кафедры "Теплогазоснабжение и вентиляция" при Курском государственном техническом университете и кафедры "Газоснабжение и теплогенерирующие установки" Белгородского государственного технологического университета
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на кафедре "Теплогазоснабжение и вентиляция" Курского государственного
технического университета (г Курск, 2007 г) и на кафедре "Газоснабжение и
теплогенерирующие установки" Белгородского государственного
технологического университета им В Г Шухова (г Белгород, 2006 г), на международной научно-практической конференции "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" (г Белгород, 2005г)
Публикации. Основное содержание работы изложено в 10 печатных работах, в том числе 3 патента на полезную модель, 5 публикаций в сборниках статей по материалам научно-практических конференций и 2 публикации в научно-технических журналах, один из которых рекомендован ВАК Минобрнауки РФ
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 107 наименования и приложения Работа изложена на 117 страницах, содержит 35 рисунков и 2 таблицы
Магистральный трубопроводный транспорт СПГ
Развитие газовой промышленности в России в ближайшие годы будет неразрывно связано с более широким использованием сжиженного природного газа (СПГ) [38, 67, 89]. В настоящее время мировой рынок торговли СПГ стал наиболее динамично развивающимся рынком углеводородных энергоносителей, в среднем его прирост составляет 7 % в год [38].
Крупнейшими производителями и экспортерами СПГ являются Алжир, Ливия, Бруней, Абу-Даби, Индонезия, Малайзия, Австралия, Катар и США. Крупнейшим импортером СПГ является Япония, на долю которой приходится около 60% мирового потребления СПГ (более 70 млрд. м3 природного газа). Другими крупными импортерами являются Южная Корея, Франция, Испания. При этом значительное количество СПГ транспортируется морем. Мировой флот насчитывает 89 танкеров-метановозов [6, 12].
Открытие в Африке крупных месторождений природного газа позволило наращивать экспорт этого вида топлива. В конце 2005 года из Африки поставлены 50 млн метрических тонн СПГ в год из 173 млн т, производимых в мире; ведущими поставщиками являлись Ангола и Нигерия. В Египте введена в эксплуатацию новая технологическая линия, производящая 3,6 млн метрических тонн СПГ в год. Экваториальная Гвинея и Ангола приступили к реализации проектов по добыче и переработке СПГ [25].
В России крупнейшие месторождения природного газа находятся в удаленных районах (Баренцево море, шельф Карского моря, остров Сахалин и т.д.), неблагоприятных для строительства магистральных газопроводов, что обуславливает необходимость строительства заводов сжижения в местах перспективных месторождений и транспортировку СПГ морским путем в танкерах-метановозах [33]. Основное использование СПГ в мировой практике — это топливо для крупных электростанций. В Японии, США, Германии, Франции, Бельгии, Нидерландах создана разветвленная инфраструктура приема, хранения и распределения СПГ, прежде всего, для газификации жилых и промышленных объектов. Уже в 1998 году в США действовали почти 300 объектов по производству и хранению СПГ, включая 59 пикшейвинговых предприятий [22]. Применение СПГ в качестве моторного топлива для различных видов транспортных средств (автомобильного, воздушного, железнодорожного, водного и т.д.) дает энергетические и экологические преимущества, а также является более экономически выгодным, по сравнению с традиционными нефтяными и другими альтернативными видами моторного топлива [37,39,40,43]. Характерные параметры СПГ представлены в приложении в таблице П.2.
В США на СПГ переведено до 25% муниципального автотранспорта, работают более 600 карьерных самосвалов, автобусы, грузопогрузчики, корабли, тепловозы; предполагается использовать СПГ для создания гиперзвукового самолета. В Западной Европе целый ряд фирм активно занимаются внедрением СПГ в автотранспорт [6, 12, 22]. Расширяется также применение СПГ и на железнодорожном транспорте. Многолетняя безаварийная эксплуатация магистральных и маневровых тепловозов на СПГ железнодорожными компаниями «Берлингтон Нозерн», «Моррисон-Кнудсен», «Санта Фе», «Юнион Пасифик» говорит об объективных преимуществах этого вида топлива [99].
Для воздушного транспорта (самолетов) газовое моторное топливо может применяться только в виде СПГ, да и для других видов транспорта СПГ более предпочтительней, чем компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) [5, 30, 35, 64].
В России только разрабатываются программы по производству СПГ и его применению в целях коммунального газоснабжения населенных пунктов, в качестве котельного топлива на предприятиях топливно-энергетического комплекса, для создания систем резервирования газа, а также в качестве моторного топлива для автомобильного, железнодорожного, водного и воздушного транспорта [33, 36, 37, 41, 66, 68, 74, 78].
На территории газифицированных регионов России существует большое число промышленных, коммунально-бытовых, сельскохозяйственных, транспортных и жилых объектов, строительство газопроводов к которым по тем или иным причинам нецелесообразно, а дальнейшее использование пропана и тем более дизельного топлива снижает их экономическую эффективность. Приведенные затраты на газоснабжение таких объектов с помощью СПГ оказываются ниже, чем при других вариантах [71, 89, 91, 101].
Кроме того, в тех странах и регионах, куда природный газ доставляется по трубопроводам в газообразном состоянии, определенное его количество сжижается с целью создания резервных запасов для обеспечения бесперебойного снабжения в периоды максимального газопотребления. Именно поэтому для регулирования «пиковых» нагрузок используются установки сжижения природного газа с низкотемпературными хранилищами. В период между 1970 и 1980 гг. только в США и Канаде создано более 200 таких установок. [68, 71, 34,48, 64].
В ряде организаций (ООО «ВНИИГАЗ», ОАО «Криогенмаш», "Холодильная и криогенная техника" МГУИЭ, НПКФ "ЭКИП", ВНИИХОЛОДМАШ, ОАО "Сибкреогентехника" и т.д.) разработаны установки сжижения природного газа на базе энергосберегающей технологии с привязкой их к газораспределительным станциям (ГРС). На ГРС, с учетом фактического расхода газа и его давления на входе и на выходе из ГРС, можно создать мини-заводы по производству СПГ производительностью от 12 до 120 т СПГ в сутки [1,9,10,24,33,42,69,88].
Постановка задачи исследования транспортировки СПГ по низконапорному трубопроводу
Выдачу СПГ потребителю в транспортные резервуары осуществляют на комплексах получения, хранения и выдачи СПГ. Комплекс СПГ включает установку сжижения природного газа, систему хранения, слива - налива и испарения (газификации) СПГ, а также площадку наполнения автоцистерн. Площадка наполнения содержит сливоналивные устройства с площадкой для размещения автоцистерн.
Транспортировка СПГ из криогенных резервуаров системы хранения в транспортные резервуары может выполняться следующими методами [15, 54]: 1) за счет разности уровней (гравитационный метод); 2) передавливанием под давлением инертным газом с более низкой температурой кипения (азот); 3) передавливанием под давлением парами СПГ, полученными в испарителе; 4) с помощью насосов различной конструкции (центробежных, поршневых, погружных).
Метод передавливанием с помощью газа, полученного в испарителе, широко применяется при выдаче из транспортных резервуаров СПГ, СУГ, жидкого азота, кислорода [32, 63, 97]. Однако для крупных хранилищ это невозможно, так как при большом гидростатическом давлении, создаваемом жидкостью в хранилище, незначительное повышение избыточного давления вызывает критические напряжения в стенках хранилища [4]. То же ограничение относится и к методу передавливанием инертным газом с более низкой температурой кипения.
Для крупных хранилищ целесообразнее использовать самовсасывающие насосы, к тому же уменьшается время наполнения транспортных резервуаров. Однако для перекачки криогенной жидкости необходимо охлаждать насосы непосредственно перед началом их работы. Это создает определеннее трудности в эксплуатации системы, поэтому применение насосов ограничено случаями, когда необходимо создание значительного давления на входе в трубопровод [97].
В промышленных масштабах для перекачки криогенных жидкостей применяются центробежные и поршневые насосы. Поршневые насосы для жидких кислорода и азота позволяют создавать высокое давление до 1000 ат в подающем тракте при малых ее расходах [90].
Для перекачки СПГ наиболее приемлемы центробежные насосы, которые способны передавать большие количества жидкости (десятки кубометров в час) при сравнительно невысоких давлениях (от 2 до 20 ат). Однако они очень чувствительны к наличию газа в перекачиваемой жидкости, и при содержании газа более 2% происходит срыв их работы и разрушение элементов рабочего колеса насоса [49, 50].
Известна конструкция насоса [3] для перекачки СПГ, предложенная Полозовым А.Е., Илюшин В.И., Ларионов Б.И., в которой в качестве элементов рабочего колеса насоса используется ферромагнитную жидкость. В дополнение к ней предложено Полозовым А.Е. и Жмакиным В.А. специальное устройство для улавливания ферромагнитной жидкости [53].
В некоторых случаях, при опорожнении хранилищ СПГ и разгрузке танкеров-метановозов для перекачки СПГ применяют погружные насосы. Их подвешивают на подъемных трубах и опускают в СПГ на такую глубину, чтобы насос находился ниже динамического уровня СПГ в резервуаре не менее чем на 1,5 м [32].
Применение насосов связано с расходом электроэнергии, которая, учитывая горючесть природного газа, может вызвать взрыво- и пожароопасные ситуации. Поэтому транспортировку СПГ из хранилища, расположенного на возвышенном участке местности, в нижестоящий резервуар целесообразнее осуществлять за счет действия силы тяжести. Гравитационный метод широко применяется на нефтебазах при сливе-наполнении железнодорожных цистерн в виду простоты конструктивного оформления, отсутствия сложного механического оборудования, готовности схемы к работе в любой момент времени независимо от наличия посторонних источников энергии [49, 63]. Рассмотрим низконапорную транспортировку жидких нефтепродуктов в следующем разделе.
Низконапорная транспортировка нефтепродуктов и сжиженных углеводородных газов
При низконапорной транспортировке нефтепродуктов из железнодорожных цистерн в хранилище применяются различные схемы (рис. 1.1) [49, 77, 85]. Слив железнодорожных цистерн производится через их горловину (верхний слив) или через сливное устройство, расположенное снизу цистерны (нижний слив). Открытый слив (рис. 1.1 а,б) применяют при сливе низкоиспаряющихся нефтепродуктов из цистерн через нижние сливные устройства 1 по переносным желобам 2 в центральный желоб 3, из которого по трубопроводу 4 стекает в расположенный ниже поверхности грунта приемный («нулевой») резервуар 5. Открытый низконапорный слив СПГ по желобам не целесообразен в виду высокой испаряемости продукта.
Закрытый слив отличается от открытого тем, что вместо переносных желобов к нижним сливным устройствам присоединяются гибкие рукава или шарнирно-сочлененные трубы б, а вместо центрального желоба проложен трубопровод — коллектор 7. Эта схема может быть применена для транспортировки СПГ, однако учитывая высокую испаряемость СПГ необходимо устройство газопровода для сброса паров СПГ.
Сифонный слив (рис. 1.1,г) производится через горловину цистерн. Начало движения нефтепродукта обеспечивается созданием вакуума в стояке с помощью вакуум-насоса. Во избежание разрыва струи и соответственно срыва сифона давление в точке А не должно опускаться ниже давления упругости паров нефтепродукта. Производительность сифонного слива за счет разности уровней невелика.
При заполнении подземных резервуаров сжиженными углеводородными газами (СУГ) из железнодорожных и автоцистерн на газонаполнительных станциях, а также при розливе СУГ в баллоны также используется схема транспортировки за счет разности уровней (рис. 1.2) [63].
Сливаемую цистерну и наполняемый резервуар соединяют трубопроводами паровой и жидкой фазы. В сообщающихся сосудах жидкость устанавливается на одном уровне, поэтому жидкая фаза перетечет в нижестоящий резервуар. При этом для создания достаточной скорости слива при одинаковых температурах и давлениях в цистерне и резервуаре необходимо, чтобы за счет гидростатического напора (за счет разности уровней) создавалась разность давлений не менее 0,7-1,0 кгс/см ; минимально необходимая величина гидростатического напора — 13 - 20 м столба жидкости (учитывая, что плотность СУГ около 582 кг/м ) [63].
Методика проведения экспериментального исследования низконапорной транспортировки жидкого азота
Каждому режиму транспортировки парожидкостной смеси (рис. 1.4) отвечают определенные закономерности переноса тепла и количества движения. Выполнено значительное количество исследований по изучению особенностей гидродинамики и методов расчета параметров отдельных режимов двухфазных потоков как отечественными, так и зарубежными учеными [44, 45, 84, 98, 102]. Однако в инженерной практике обычно используются упрощенные методы, не связанные с рассмотрением конкретных режимов: модель со скольжением фаз (корреляция Мартинелли-Локкарта-Нельсона) и гомогенную модель [45,97].
При расчете двухфазного потока по модели со скольжением фаз потери давления при турбулентном режиме течения определяются по уравнению: падение давления на единицу длины трубопровода при движении жидкой фазы с полным расходом G = Gr + Gm, определяется по общеизвестному уравнению Дарси-Вейсбаха (2.13), Па/м; х — массовое расходное паросодержание потока; Фж — функция, выражающая отношение потерь давления двухфазной смеси к потерям давления однофазной жидкости.
Влияние теплопритоков на гидродинамику потока учитывается изменением массового паросодержания х по длине трубопровода. Функцию Фж в выражении (2.35) определяют графическим способом (рис. 2.7) в зависимости от параметра % [84, 90, 97]: где рГ, рж — плотность паровой и жидкой фаз соответственно, кг/м ; рг, //ж — динамическая вязкость, Па с. її1 г 4 sliri " б бір г 4 бею1 і "4 a ax Рис. 2.7. Соотношение между ФгСіг) и Фж{х) при турбулентном течении фаз
При малых паросодержаниях потока и больших массовых скоростях, наблюдаемых при установившемся гидравлическом и тепловом режимах транспортировки СПГ, наибольшее согласование с экспериментальными данными имеет гомогенная модель. Сущность модели состоит в том, что двухфазный поток рассматривается как однофазный, у которого удельный объем в каждом сечении такого потока связан с массовым паросодержанием и удельным объемом каждой из фаз, т.е. где 2СМ — коэффициент сопротивления двухфазного потока, который может быть представлен коэффициентом сопротивления однофазного потока Ятр и некоторой эмпирической функцией ц/ параметров двухфазного потока, т. е. Ясм = f bp- Ввиду сложного характера зависимости і// от режимных параметров двухфазного потока в инженерных расчетах принимают ц/=\.
Основные допущения гомогенной модели состоят в предположении равенства линейных скоростей пара и жидкости, термодинамического равновесия фаз, применимости к двухфазному течению зависимостей для расчета коэффициента трения однофазного потока. 2.5.2. Существующий метод численного расчета параметров двухфазного потока
Расчет потерь давления в двухфазном потоке СПГ может быть выполнен численным методом по методике, изложенной в [97]. При этом исходными данными для расчета параметров двухфазного потока СПГ являются значения параметров Т1, , Iі, полученные в результате расчета однофазного потока.
Участок трубопровода /см = / - / , на котором имеет место испарение жидкости, разбивается на равные отрезки А/. В пределах каждого отрезка массовое паросодержание х и параметры каждой из фаз принимаются постоянными. В конце каждого отрезка определяется паросодержание и потери давления.
Массовое паросодержание в сечении 11+\ определяется паросодержанием потока в предыдущем сечении 1\ и приростом паросодержания на отрезке А/ = 1\+\- I вследствие теплопритока и падения давления над насыщенной жидкостью: +7Г -+І,(Р,) -(Л") (239 D-p-W-r г где is(pi) — энтальпия на линии насыщения СПГ при давлении р{, Дж/кг; г — удельная теплота парообразования, Дж/кг; q — величина теплопритока к СПГ, которая может быть определена по формуле: ql = 27d» Tcnr) (2.40) \D7D) Давление в конце каждого отрезка в сечении 1\+\ связано с давлением в сечении 1[ следующим соотношением: Рм = Pi 4Рс„.я, , (2.41) где а — угол наклона отрезка А/ к вертикали, исм — удельный объем парожидкостной смеси, м /кг. Необходимые данные по физическим и термодинамическим свойствам СПГ (удельный объем, энтальпия на линии насыщения, теплота испарения, теплоемкость и др.) определяются по табличным зависимостям в [11, 29, 82]. При переходе к следующему отрезку учитывается изменение паросодержания и плотности паровой фазы за счет теплопритока и падения давления на предыдущем отрезке.
Для вычисления потерь давления трением Арсм.тр в двухфазном потоке на отрезке могут быть приняты соотношения как модели со скольжением фаз, так и гомогенной модели. Расчет является правильным, если выполняется условие: — є, (2-42) где Рр вых — расчетное давление в конце трубопровода, Па; ршх — заранее заданная величина давления, Па; є —заданная относительная погрешность расчета.
Если расчетное давление окажется выше заданной величины, то следует увеличить расход и повторить расчет; если расчетное давление окажется ниже, то следует уменьшить расход продукта с повторением расчета. Значения pW и jtBbIX, соответствующие соотношению (2.42) будут являться искомыми.
Предложенный метод расчета транспортировки СПГ с частичным испарением по низконапорному трубопроводу
Представленная выше методика численного расчета двухфазного течения [97] сложна и трудоемка, поэтому для моделирования транспортировки СПГ по низконапорному трубопроводу в условиях частичного испарения разработаем упрощенную аналитическую модель гомогенного течения СПГ [56].
Основу модели составляет уравнение для изменения паросодержания и давления вдоль участка трубопровода с двухфазным течением:
1. Из-за малой по сравнению с жидкостью плотностью газа выражение для удельного объема парожидкостной смеси (2.37) представляем в следующем виде: ,=ож+игх (2.47)
2. Зависимость удельного объема паровой фазы от давления и температуры будем считать соответствующей уравнению состояния идеального газа: ог= -, (2.48) Р где R — газовая постоянная метана, равная R =519 Дж/(кг К) [11].
3. В виду незначительного изменения температуры насыщения вдоль участка двухфазного течения СПГ будем приближенно считать ее постоянной и равной среднему арифметическому ее начального и конечного значений:
Использование криогенных температур при строительстве магистральных газопроводов
Однако данные технологии замораживания производятся в длительные сроки и существенно зависят от погодных условий, что при современных темпах строительства и высокой степени механизации строительных работ не может быть оправдано.
Наиболее эффективно азотное замораживание грунтов, поскольку температура испарения жидкого азота очень низка (при атмосферном давлении -195,76 С). Жидкий азот из цистерн, в которых он был доставлен, выпускают на поверхность земли. Попадая на грунт, жидкий азот мгновенно испаряется в атмосферу, забирая тепло от грунта и, тем самым, вызывая промерзание его на требуемую глубину, обеспечивая большую механическую прочность и водонепроницаемость. Скорость азотного замораживания грунтов намного выше, чем перечисленными выше способами. К тому же жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен, нетоксичен и недорог.
Искусственное замораживание жидким азотом было применено предприятием ЗАО Курское ДРСУ-1 при устройстве временного переезда через заболоченный участок местности для завоза песчаного грунта при строительстве автомобильной дороги Дряблово-Анпилогово-Лукино. Поскольку из-за относительно теплой зимы (температура наружного воздуха держалась выше 0С) методы естественного замораживания водонасыщеных грунтов невозможно было применить, ледогрунтовое основание землевозной дороги выполнили методом азотного замораживания (рис. 4.4).
Доставленный на стройплощадку жидкий азот выпускали из цистерн на землю с применением новых конструкций сливного трубопровода [51, 52]. Начало движения жидкого азота по подъемному стояку обеспечивается созданием вакуума в ресивере с помощью форвакуумного насоса (метод сифонного слива, см. рис. 1.1, г), который соединен всасывающей линией со сливным стояком. На горизонтальном участке трубопровода и в сливном стояке жидкий азот передается под действием силы тяжести, создавая в последнем "гейзерный" эффект.
За счет применения новых конструкций сливного трубопровода [51, 52], ресивера и форвакуумного насоса удалось преодолеть "гейзерный" эффект, препятствующий транспортировке жидкого азота, обеспечив стабильную его транспортировку с требуемым расходом, при минимальных затратах азота и времени на охлаждение трубопровода до выхода на этап установившейся транспортировки.
Для разбрызгивания азота по всей площади укрепляемой землевозной дороги целесообразно использовать машину, оборудованную коллектором с
форсунками. Вылитый на поверхность земли жидкий азот образует отдельные глыбы замороженного грунта, которые при дальнейшем замораживании увеличиваются в объеме и постепенно смерзаются в единый ледогрунтовый массив, обладающий высокой прочностью и водонепроницаемостью.
В результате устройства переезда удалось сократить расстояние перевозки песчаного грунта с 25 км по объездным дорогам до 2 км по созданному переезду, за счет чего снизились транспортные расходы, повысилась производительность труда, сократить сроки строительства автомобильной дороги Дряблово-Анпилогово-Лукино.
Отметим, что предложенная технология строительства временных дорог, в том числе при ремонте магистральных газопроводов, проходящих через заболоченные территории, и строительстве других объектов в сложных гидрогеологических условиях оправдана экономической эффективностью. Методика технико-экономического расчета замораживания водонасыщенных грунтов с применением новой схемы низконапорной транспортировки жидкого азота представлена в пятой главе.
1. Применение новой схема низконапорной транспортировки криогенной жидкости в производстве цеха приема и хранения жидкого азота позволило осуществить транспортировку жидкого азота с постоянным расходом жидкой фазы, без "гейзерного" эффекта и выбросов паровой фазы в атмосферу; при этом были снижены затраты жидкого азота на охлаждение трубопровода и времени простоя цистерны до выхода на этап установившейся транспортировки.
2. Годовой экономический эффект от применения новой схемы низконапорной транспортировки СПГ определяется снижением затрат электроэнергии; кроме того, повышена безопасность персонала при работе с криогенными сосудами, находящимися под избыточным давлением.
3. Новая схема низконапорной транспортировки и конструкции вертикальных трубопроводов [51, 52] нашли применение при замораживании грунтов жидким азотом для устройства временной землевозной дороги при строительстве автомобильной дороги.
4. Экономическая эффективность использования криогенных температур при замораживании жидким азотом водонасыщенных грунтов при ремонте магистральных газопроводов, проходящих через заболоченные территории, или строительстве других объектов в сложных гидрогеологических условиях определяется снижением транспортных расходов, повышением производительности труда, сокращением сроков строительства основного объекта.
