Введение к работе
Актуальность работы. Существует актуальная потребность всестороннего изучения и исследования технических и эксплуатационных задач по перевозке российского сжиженного природного и нефтяных газов судами класса LNGC (Liquefied Natural Gas Carrier). В частности, научно-технической задачей, не получившей до сих пор научного решения, необходимого для правильного выбора принципиальной схемы технологии транспортировки основного груза LNGC — метана, является -1. Разработка метода теплотехнического анализа (МТА) рабочих процессов в агрегатах полной каскадной системы реконденсации испаряющегося груза; П. Вторым, в равной степени актуальным, является применение МТА в решении задачи использования естественно испаряющегося метана в качестве топлива в судовой энергетической установке (СЭУ) LNGC, с полным или частичным исключением реконденсационной установки (РУ) из состава СЭУ; Ш. Разработанный МТА является общей основой решения ряда частных актуальных задач, возникающих в эксплуатации LNGC:
оценка энергозатрат на привод агрегатов РУ (компрессоров, насосов, теплообменников);
выбор рациональной схемы РУ;
анализ особенностей перевозки смесей сжиженных газов;
анализ обеспечения безопасности эксплуатации мембранных танков класса «А» с соответствующим определением контрольно-классификационной площади проходного сечения предохранительного клапана;
разработка и предложение новых критериев эффективности LNGC, их танков и конденсаторов
Цель диссертационного исследования разработка инженерного метода теплотехнического анализа процессов в агрегатах системы удержания динамического равновесия в циклическом теплообмене между окружающей средой и грузом в танках LNGC. На основе единого МТА устанавливаются его табулированные и диаграммные представления вариантов определения наиболее энергосберегающей РУ или её альтернативы.
Объектом исследования являются:
-
Рабочие процессы в основных агрегатах реконденсационной установки.
-
Теплотехнические процессы в смесях химически не реагирующих сжиженных газов.
-
Способы переработки пара груза, предусматривающие возвращение его в танк после РУ с удержанием динамического равновесия в теплообмене Окружающая среда - Груз - Окружающая среда (ОС-Г-ОС) и использованием
пара груза в качестве топлива в соответствующих агрегатах судовой энергетической установки.
В связи с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
разрабатывается методика расчёта характеристик смеси химически не реагирующих грузов в жидкой фазе в танке и в газовой среде - в его куполе;
исследуются условия повышения температуры жидкого груза в танке смешением двух грузов;
- выполняется теплотехнический анализ различных схем РУ для метана;
в рамках разработанного метода решается задача обеспечения безопасности системы с предложением нового способа определения контрольно-классификационной величины площади проходного сечения предохранительного клапана грузового танка;
разрабатывается метод оценки энергозатрат приводов компрессоров в различных схемах каскада РУ;
обосновываются возможные нормы замещения нефтяного бункерного топлива естественно испаряющимся паром метана в судовой энергетической установке LNGC.
На защиту выносятся:
метод теплотехнического анализа рабочих процессов в агрегатах обслуживания груза судов, перевозящих сжиженный газ наливом;
методика определения параметров смеси химически не реагирующих газов и их парциальных значений в жидкой и газовой фазах;
алгоритм расчёта площади проходного сечения предохранительного клапана на мембранном танке;
результаты теплотехнического анализа различных схем бортовой каскадной РУ с различными хладагентами в метановом цикле;
результаты теплотехнического анализа использования пара груза как топлива в пропульсивном комплексе LNGC и его реконденсации в бортовой РУ.
Предметом данного исследования являются процессы реконденсации испаряющегося в танках груза и его возвращения в танки, а также возможного использования естественно испарившегося пара для частичного или полного замещения им нефтяного топлива в СЭУ газовозов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- разработан метод теплотехнического анализа ряда схем каскадной рекон-
денсационной установки для мембранных танков с различными хладагента
ми в метановом цикле при различных степенях повышения давления в мно
гоступенчатом метановом компрессоре;
разработана методика расчёта характеристик смеси грузов в жидкой и газовой фазах в рейсе;
определена технико-экономическая целесообразность замещения нефтяного топлива паром метана в СЭУ LNGC большой вместимости;
выполнен сравнительный анализ методов классификационного контроля пропускной способности предохранительного клапана мембранного танка LNGC в соответствии с Газовым Кодексом ИМО и «Правилами» других Классификационных обществ, в том числе и Российского морского регистра судоходства (РМРС). Предложен альтернативный более простой метод;
представлены новые характеристики и безразмерные критерии энергетической эффективности мембранного танка, LNGC определённой вместимости в определённом рейсе с заданной скоростью хода, а также конденсаторов в системе РУ.
Практическая ценность заключается в том, что
определены числовые значения коэффициентов в уравнениях связи между параметрами состояния груза в газовой фазе от состояния насыщения в агрегатах бортовой РУ в соответствующих рабочих диапазонах изменения температуры и давления;
разработан метод выбора минимально энергозатратной каскадной схемы РУ;
предложена формула расчета площади проходного сечения предохранительного клапана грузового танка со сжиженном газом;
разработаны и приняты к использованию РМРС предложения по частичной корректировке пунктов требований «Правил классификации и постройки газовозов» в части обеспечения защиты от повышающегося давления;
определена эффективность использования испаряющегося в танках метана в качестве топлива в главных двигателях судов класса LNG средней и большой вместимости;
результаты внедрены при разработке Образовательных стандартов третьего поколения Морских учебных заведений для подготовки специалистов, обеспечивающих добычу, перевалку и транспортировку углеводородов.
Достоверность и обоснованность научных положений обеспечивается оценкой отклонений расчётных результатов от известных экспериментальных данных, а также использованием реальных характеристик различных видов груза в обеих фазах в исследуемых диапазонах изменения давления и температуры в рабочих процессах РУ, в соответствии с диаграммными и табличными представлениями их в академических изданиях Госстандарта.
Апробация работы осуществлялась на ряде ежегодных конференций профессорско-преподавательского состава Государственной Морской академии имени адмирала С.СШакарова с 2005 по 2009 г., на 4-й международной конференции «Arctic shipping-2007», на секции энергетики Санкт-Петербургского Дома учёных в апреле 2010 года.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав текста с выводами по каждой главе, заключения, содержит 199 страниц машинописного текста, в том числе 40 рисунков, 24 таблиц и списка использованной литературы из 149 наименований отечественных и зарубежных источников.
