Содержание к диссертации
1. Введение
2. Состояние вопроса
2.1. Физические основы и развитие изотермического способа хранения газов 13
2.2. Современные конструкции тепловой изоляции изотермических резервуаров 23
2.3. Эксплуатационные особенности засыпной тепловой изоляции двухсменных изотермических резервуаров. Описание работы теплоизоляционной конструкции .• 30
2.Л. Цель и задачи исследования 35
3. Исследование теплотехнической эффективности засыпной тепловой изоляции двухсгенных изотермических резервуаров при изменении физических характеристик слоя перлитового леска 39
3.1. Анализ тепло потерь через ограждающие конструкции корпуса двухсменных изотермических резервуаров с нарушенной теплоизоляцией 39
3.1.1. Оценка дополнительного геплопритока, обусловленного уплотнением теплоизоляционного материала 42
3.1.2. Оценка дополнительного геплопритока, обусловленного образованием газовой прослойки 46
3.2. Натурные исследования теплового режима ограждающих конструкций изотермических резервуаров жидкого аммиака с
нарушенной тепловой изоляцией 56
3.2.1. Определение локальных теплотехнических характеристик теплоизоляционной конструкции стен резервуаров 60
3.2.2. Определение суммарного геплопритока в резервуар в режиме хранения 70
3.3. Выводи 75
4. Исследование процессов осадки и уплотнения перлитового песка в засыпной теплоизоляционной конструкции стен двухсменного изотермического резервуара
4.1. Аналитическое описание напряженного состояния слоя сыпучего материала при наличии высоких параллельных ограничительных станок 80
4.2. Исследование механических свойств вспученного перлитового песка 88
4.3. Расчет активного и реактивного давления перлита на стенки резервуара 96
4.4. Физическая модель процессов осадки и уплотнения перлита в однослойной и комбинированной /теплоизоляционная засыпка + компенсационный слой/ засыпной теплоизоляционной конструкции 104
4.5. Выводы ХІ4
5. Экспериментальное исследование процессов осадки и уплотнения перлита на натурной модели фрагмента теплоизоляционной конструкции двухсменного изотермического резервуара
5.1. Описание конструкции стенда и методика проведения экспериментов И7
5.2. Результаты исследования циклического уплотнения перлита в конструкции І2Г
5.3. Разработка неразрушающего метода контроля плотности перлитового песка в засыпной теплоизоляционной конструкции 128
5.4. Выводы ГЗЗ
6. Разработка методики расчета параметров компенсационного слоя в комбинированной теплоизоляционной конструкции стен двухсменного изотермического резервуара Г35
6.1. Требования к конструкции компенсационного слоя и де-формагивным свойствам применяемых волокнистых мате риалов 135
6.2. Разработка расчетной формулы и номограммы для расчета толщины компенсационного слоя Г43
6.3. Выводы 148
7. Внедрение результатов проведенных исследований в проектирование тепловой изоляции двухсгенных изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов построенных и намеченных к строительству в СССР
7.1. Общая характеристика построенных и намеченных к строительству в СССР двухсгенных изотермических резервуаров с комбинированной тепловой изоляцией Г5Г
7.2. Конструкция компенсационного слоя и узла крепления матов 158
7.3. Производство работ по монтажу засыпной тепловой изоляции двухстенных изотермических резервуаров Г6Г
7.4. Контроль состояния тепловой изоляции эксплуатируемых двухсгенных изотермических резервуаров Г68
Заключение 170
Список литературы -L1A
Приложение I j35
Приложение 2 .188
Приложение 3 1
Введение к работе
Исследование, разработка и внедрение эффективной тепловой изоляции изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов направлены на решение задач в области экономии топливно-энергетических ресурсов, нашедших отражение в материалах ХХУІ съезда КПСС. В постановлении ЦК КПСС и СМ СССР от 2 апреля 1981 г. ш 328 "Об основных направлениях и мерах по повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в 1981--1985 гг и на период до 1990 г" определен комплекс мер по строгому нормированию и экономному расходованию энергоресурсов, В частности, в постановлении предусмотрено "внедрение в отраслях народного хозяйства эффективного энергоиспользующего оборудования, технологических процессов, установок и машин, обеспечивающих высокий технический уровень производства при минимальных затратах энергетических ресурсов, в том числе, повышение качества тепловой изоляции оборудования и трубопроводов.." /I/.
Одним из важнейших путей практической реализации постановления партии и правительства об экономии энергоресурсов является повышение эффективности и надежности тепловой изоляции энергоемкого оборудования и трубопроводов, что отражено в специальном постановлении СМ СССР от 24- августа 1981 г Ifi 835 "О мерах по повышению эффективности тепловой изоляции и индустриализации теплоизоляционных работ в строительстве в I98I-I985 гг" /2/.
К числу низкотемпературных объектов требующих эффективной тепловой изоляции ,относятся изотермические резервуары для хранения сжиженных газов, гак как хранение осуществляется при температурах от минус Ю°С до минус 203°С /4,5,6/. Быстрый рост объемов добычи и потребления природного газа и интенсивное развитие производства технических газов в СССР потребовали создания обширного парка хранилищ для этих продуктов. Хранение оольших ооъемов и создание запасов газа обусловлено в первую очередь необходимостью удовлетворения пиковых потребностей промышленности и рационального использования мощностей газопроводов и транспортных средств для перевозки газа. Для хранения и транспортировки больших объемов газа в настоящее время используются газгольдеры, резервуары высокого давления и изотермические резервуары. Изотермические резервуары являются наиболее экономичными и технически перспективными, гак как их применение позволяет в 15-20 раз снизить металлоемкость конструкции и в 5-Ю раз сократить площади занимаемые резервуарным парком /7/. При этом газ в значительно меньшей степени загрязняется примесями и существенно снижаются его потери при хранении. Сооружение изотермических резервуаров в СССР началось сравнительно недавно.
Дервые резервуары для хранения аммиака в сжиженном состоянии при температуре минус 84°С и избыточном давлении 0,1 аги были построены в Ш2-±978 гг на Невинномысском и сев еро донецком Ш "Азот"
да поставке фирмы „ Той о Engineering Согpotation, /шюния/. Первые отечественные изотермические резервуары, также для жидкого аммиака, построены в 1977-1978 гг на Березниковском АТЗ и Ионавском ЗАУ. К настоящему моменту в СССР построены и эксплуатируются более 40 изотермических резервуаров для хранения жидкого аммиака, этилена, СУГ /сжиженных углеводородных газов - бутана, пропана и др./ и кис -7 лорода. Емкость построенных в СССР резервуаров составляет от 2-х до 30-ти тысяч м3 сжиженного газа. Следует отметить, что за рубежом /8/, в частности в США, уже эксплуатируются изотермические резервуары емкостью до 143 тыс.м3 /Ла-Порга, штаг Индиана/. ЭКБ по железобетону Миннефгегазетроя СССР разработан проект изотермического резервуара для хранения сжиженного природного газа /СНГ/ емкостью 60 тыс.тонн. Строительство резервуара уже начато вблизи города Еревана.
В ближайшие годы в Советском Союзе намечено значительное увеличение резервуарного парка для хранения в сжиженном состоянии аммиака, СУГ, этилена, СПГ и кислорода. Только в системе ВО "Союз-азот" в 1982-1985 гг намечено построить 12 15 изотермических резервуаров для жидкого аммиака.
Экономичное хранение газов в сжиженном состоянии с учетом фактора притока тепла из окружающей среды в хранилище, возможно только при наличии эффективной тепловой изоляции, гак как разность температур среды и хранимого продукта достигает 100 250°С, В построенных в Советском Союзе изогермических резервуарах применены различные типы теплоизоляционных конструкций, включая /9/: - экранную /Вент-спилеский и Одесский припортовый заводы/; - пенопластовую /ГО "Тольятти Азот", Горловское ГО ;:Сгирол" /; - засыпную /Новгородское и Северодонецкое ГО "Азот"/ и засыпную с компенсационным слоем из волокнистых материалов /Березниковский АТЗ, Дзержинское ГО "Капролактам"/. Однозначных рекомендаций бідающих предпочтение той или иной конструкции тепловой изоляции изотермического резервуара по зарубежной и отечественной информации не существует. Вместе с тем, очевидно, что экономичность изотермического хранения сжиженных газов, наряду с другими факторами, в первую очередь зависит от теплотехнической эффективности и стоимости тепловой изоляции.
Обобщая отечественный и зарубежный опыт строительства и эксплуатации изотермических резервуаров, можно сделать вывод, чго наиболее универсальной /относительно вида хранимого продукта/ является двух-сгенная конструкция изогермического резервуара, в которой изоляция стен и крыши осуществляется вспученным перлитовым песком, засыпаемым в межссенное пространство. Такая конструкция характеризуется теплотехнической эффективностью и эксплуатационной надежностью. Она несгораема, исключает увлажнение изоляции в процессе эксплуатации и механически прочна. Преимуществом засыпной тепловой изоляции двух-сгенных изотермических резервуаров является, также, возможность механизации работ по ее монтажу.
Опыт сооружения изотермического резервуара емкостью 10 000 тонн для хранения жидкого аммиака на Березниковском АТЗ и изогермического этиленохранилища емкостью 5000 тонн на ирикумском заводе пластмасс показывает, чго трудоемкость и стоимость теплоизоляционных работ может быть существенно снижена при использовании пневмотранспортных устройств. Применение, предложенных автором пневматических эжекторов, при заполнении перлитом межстенного пространства резервуара Ьерезниковского АТЗ дало экономический эффект в размере 10 000 рублей ДО/. Установка для пневмотранспорта перлита в плотном потоке по трубопроводу, предназначенная для монтажа засыпной тепловой изоляции защищена авторским свидегельсгвом Ш 880921.
Несмотря на отмеченные положительные качества засыпной тепловой изоляции двухстенного изогермического резервуара, и она не лишена недостатка - проявление осадки и уплотнения сыпучего теплоизоляционного материала в слое. Указанные явления в ряде случаев ведут к снижению ее эффективности, что проявляется в двух аспектах, а именно:
- при осадке засыпки из перлитового песка в верхней части конструкции образуются газовые прослойки, представляющие собой "мости -9 ки холода";
- из-за осадок плотность И сопротивление сжатию засыпного слоя увеличивается, что при температурной деформации стенок резервуара может привести к значительным напряжениям в конструкции, опасным для прочности и устойчивости сооружения в целом.
Засыпная теплоизоляционная конструкция принципиально весьма перспективна, а при хранении больших объемов /до 30 60 и даже 120 гыс.м3/ этилена, СПГ или кислорода является практически единственно возможной.
Целью работы ставилось исследование изменения теплотехнических и физико-механических свойств засыпной тепловой изоляции в процессе эксплуатации двухсгенных изотермических резервуаров под влиянием уплотнения слоя перлигового песка при осадочных явлениях и разработка конкретных предложений, направленных на их ограничение или полное устранение.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследовать влияние процессов осадки и уплотнения вспученного перлигового песка в засыпной тепловой изоляции сген на тепловой режим двухсгенного изотермического резервуара.
2. Разработать методику натурного обследования и контроля теплотехнической эффективности тепловой изоляции эксплуатируемых двухсгенных изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов.
3. Исследовать механизм процессов осадки и уплотнения вспученного перлитового песка в теплоизоляционной конструкции двухсгенного изотермического резервуара и влияние указанных процессов на напряженное состояние слоя сыпучего теплоизоляционного материала.
4. Разработать методики расчета активного и реактивного давления теплоизоляционного слоя на стенки резервуара в однослойной и комбинированной /теплоизоляционная засыпка + компенсационный слой/ теплоизоляционной конструкции.
5. Исследователь физико-механические свойства вспученного перлитового песка и волокнистых теплоизоляционных материалов, используемых в теплоизоляционных конструкциях двухстенных изотермических резервуаров, с учетом предъявляемых к ним требований.
6. Разработать метод контроля уплотнения перлитового песка в теплоизоляционной конструкции в процессе эксплуатации резервуара.
7. Разработать методику расчета параметров компенсационного слоя в засыпной теплоизоляционной конструкции двухсгенного изотермического резервуара.
8. Внедрить в проектирование и эксплуатацию, разработанные в соответствии с поставленными задачами исследования, рекомендации по расчету, конструктивному оформлению и натурному обследованию засыпных теплоизоляционных конструкций двухстенных изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов. Наунвая_вадизиа работы состоит в:
- разработке методики натурного обследования эксплуатируемых резервуаров, с целью определения теплотехнической эффективности и эксплуатационной надежности засыпной тепловой изоляции двухстенных изотермических резервуаров;
- установлении аналитической зависимости между степенью осадки и уплотнения слоя перлитового песка в засыпной теплоизоляции и интенсивностью испарения сжиженного газа в резервуаре;
- разработке научно-обоснованной комбинированной засыпной тепловой изоляции, обеспечивающей стабильность теплотехнических свойств конструкции во времени;
- разработке физической модели процессов осадки и уплотнения сыпучего теплоизоляционного материала в однослойной и комбинированной /с компенсационным слоем/ засыпной теплоизоляционной конструкции;
- разработке методики расчёта активного ж реактивного давления теплоизоляционной засыпки на стенки резервуара;
- разработав. нового прибора и методики исследования коэффициента внутреннего трения, коэффициента бокового давления и сопротивления сжатию высокопористых легкодеформируемых сыпучих теплоизоляционных материалов;
- разработанной методике расчета параметров компенсационного слоя в комбинированной засыпной теплоизоляционной конструкции двух-стенного изотермического резервуара.
Практическая значимость диссертации и реализация результатов исследований.
Исследования по теме диссертационной работы проводились в соответствии с Целевой комплексной программой Госстроя СССР, Госкомитета по науке и технике СССР и Госплана СССР О.Д.ОЗІ на І98І-І985 гг, задание 08.01.02,05. "Разработать и внедрить эффективные конструкции тепловой изоляции стен и крыши изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов при температурах до минус 203°С".
Результаты выполненных исследований включены в состав "Инструкции по расчету и проектированию тепловой изоляции изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов" и "Временной инструкции по обследованию и ремонту изотермических резервуаров жидкого аммиака" и использованы при расчете и проектировании тепловой изоляции построенных, строящихся и намеченных к строительству на предприятиях Министерства химической промышленности СССР и министерства минеральных удобрений СССР двухстенных изотермических резервуаров для хранения жидкого аммиака, сжиженных углеводородных газов /СУГ/, этилена, сжиженного природного газа /СНГ/, кислорода и азота.
