Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и научные предпосылки к реализации задачи диссертационных исследований 15
1.1 Современное состояние и перспективы развития систем газификации Российской Федерации 15
1.2 Выбор направления дальнейших исследований 19 Выводы по главе 1 25
ГЛАВА 2 Технико-экономическая оптимизация схемно-параметрических решений систем топливоснабжения на базе спг 27
2.1 Анализ существующих способов производства и транспортировки природного газа различным категориям потребителей 27
2.2 Разработка способа транспортировки сжиженного природного газа потребителям, удаленным от магистральных газопроводов 30
2.3 Определение оптимального местоположения завода по сжижению природного газа на плане газоснабжаемой территории 36
2.4 Усовершенствование конструкции транспортных средств для доставки сжиженного природного газа 41
2.4.1 Состояние вопроса и теоретические предпосылки 41
2.4.2 Схема модернизированной цистерны для транспортировки сжиженного природного газа 43 Выводы по главе 2 48
ГЛАВА 3 Теоретические основы использования модернизированной схемы доставки сжиженного природного газа потребителям 50
3.1 Выбор хладоносителя 50
3.2 Определение давления хладоносителя в криогенной цистерне 52
3.3 Определение основных термодинамических параметров хладоно-сителя и природного газа в цикле производства СПГ 53
3.3.1 Определение давления инверсии предварительно охлажденного природного газа . 53
3.3.2 Определение температуры охлажденного природного газа . 57
3.4 Определение перерасхода топлива при использовании предлагаемой схемы доставки СПГ . 61
3.5 Определение объема заполнения сосуда цистерны . 63
3.6 Расчет модельной цистерны на прочность 65
Выводы по главе 3 72
ГЛАВА 4 Проведение вычислительного эксперимента по определению основных термодинамических параметров хладоносителя и природного газа в цикле производства спг 73
Выводы по главе 4 81
ГЛАВА 5 Технико-экономическое обоснование схемы транспортировки сжиженного природного газа 82
5.1 Определение расхода топлива и экономического эффекта от внедрения новой конструкции цистерны 86
5.2 Сравнительная экономическая эффективность использования схемы с возвратом хладоносителя 88
5.3 Выявление экономической эффективности реализации предлагае мого способа транспортировки СПГ 95
Выводы по главе 5
Основные выводы 99
Литература 102
Приложения
- Современное состояние и перспективы развития систем газификации Российской Федерации
- Усовершенствование конструкции транспортных средств для доставки сжиженного природного газа
- Определение перерасхода топлива при использовании предлагаемой схемы доставки СПГ
- Определение расхода топлива и экономического эффекта от внедрения новой конструкции цистерны
Введение к работе
Актуальность темы. Природный газ является для России не просто эффективным энергоресурсом, но и важным средством решения многих экономических и социальных проблем. Сдерживающим фактором для поставок природного газа в некоторые районы страны являются транспортные проблемы. Поэтому вполне обоснованной является необходимость создания системы альтернативного трубопроводам варианта транспортировки газа в сжиженном виде, хотя практическая реализация этого проекта требует значительных капиталовложений.
Сжиженный природный газ (СПГ) является экологически чистым и безопасным, что позволяет широко использовать его в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в жилищно-коммунальном хозяйстве.
Если по вопросам распределения и использования сетевого природного газа в российской научной литературе имеется ряд исследований, статей и монографий, то по рынку СПГ крупных аналитических работ немного. Между тем в последние 10-15 лет этот рынок развивается высокими темпами, и в настоящее время СПГ выступает достаточно заметным элементом мировой торговли природным газом, и, по имеющимся прогнозам, среднегодовой темп прироста мирового спроса на СПГ к 2030 году может возрасти в несколько раз.
В этой связи, разработка научных основ расчета и проектирования автономных систем газоснабжения на базе сжиженного природного газа представляет собой актуальную научно-техническую задачу, реализация которой требует обобщенной постановки и глубокого анализа с учетом многообразия системообразующих факторов и специфических особенностей современных систем газораспределения и газопотребления.
Целью работы является обоснование новых методик для расчета основных параметров процесса транспортировки сжиженного природного газа и использование их для разработки технических решений, обеспечивающих эффективное функционирование системы газоснабжения на базе СПГ.
Задачи исследований. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
анализ существующих способов транспортирования газового топлива и разработка нового способа оптимального функционирования систем газоснабжения;
разработка методики и блок-схемы определения оптимального местоположения источника по производству сжиженного природного газа на плане газоснабжаемой территории;
разработка и обоснование нового варианта конструкции автомобильной цистерны для транспортировки сжиженного природного газа с целью
повышения энергоэффективности системы автономного газоснабжения на базе СПГ;
разработка методики расчета основных параметров природного газа в цикле транспортировки СПГ;
обоснование целесообразности применения новых технических решений в области автономного газоснабжения потребителей, удаленных от магистрального транспорта сетевого природного газа.
Научная новизна:
Разработаны математическая модель и программный комплекс определения оптимального местоположения завода по производству сжиженного природного газа вблизи существующего газопровода сетевого природного газа, позволяющие учесть такие существенные факторы, как: местоположение потребителей газа, потребность в газовом топливе и расположение существующего магистрального газопровода.
Предложена математическая модель, описывающая взаимодействие природного газа в газообразном и сжиженном состояниях с хладоносите-лем на участках заправки цистерны и выгрузки СПГ потребителям.
Предложен оригинальный способ транспортировки сжиженного природного газа потребителям, основными отличиями которого являются устройство теплообменного оборудования на заводе по производству СПГ и у потребителя, а также использование новой конструкции транспортной цистерны.
Предложено конструктивное решение автомобильной цистерны для транспортировки сжиженного природного газа; принципиальная новизна данного решения, отраженная в полученном патенте, заключается в наличии дополнительной оболочки, создающей дополнительную полость в цистерне.
Разработаны численный алгоритм и его компьютерная реализация для технико-экономической оценки основных параметров разработанной схемы автономного газоснабжения потребителей, удаленных от газопроводов сетевого природного газа на базе альтернативного энергоносителя -сжиженного природного газа.
Достоверность результатов основана на использовании фундаментальных положений теории и практики газоснабжения, современных методов математического и экономико-математического моделирования, а также результатов экспериментальных работ; использовании исходных данных, полученных из достоверных источников; корректности математической постановки решаемых задач, адекватно описывающих исследуемые процессы и объекты. Достоверность обеспечивается также широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях различного уровня.
Научная и практическая значимость работы. Разработанные математические модели определения основных технологических параметров
сжиженного природного газа в предложенной схеме газоснабжения потребителей обеспечивают научно обоснованные предпосылки к оптимальному функционированию и развитию автономных систем газоснабжения потребителей на базе сжиженного природного газа. Достоинства данных моделей заключаются в более детальном и точном описании температурных режимов перевозимых в цистерне сжиженного природного газа и хладо-носителя на каждом этапе транспортировки.
По материалам исследований разработано программное обеспечение, на которое получено свидетельство на программу для ЭВМ № 2013610839 «Определение оптимального местоположения завода по сжижению природного газа».
Предложен оригинальный энергоэффективный способ транспортировки сжиженного природного газа различным категориям потребителей.
Разработана усовершенствованная конструкция криогенной цистерны, используемая в разработанной схеме автономного газоснабжения, защищенная свидетельством на полезную модель №115309 «Цистерна для транспортировки сжиженного природного газа».
Результаты научных исследований внедрены в ОАО «Гипрониигаз» и рекомендованы научно-техническим советом для использования в проектной практике института (Приказ № 318 от 06.09.2012 года). По материалам диссертационных исследований разработан СТО-03321549-020-2012 «Технико-экономическое обоснование параметров систем газоснабжения».- Саратов: ОАО «Гипрониигаз», 2012. 18 с.
Материалы исследований используются в лекционных курсах, читаемых на кафедре ТГВ СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Основные выводы и предложения, содержащиеся в диссертационной работе, позволяют широко использовать их на практике при разработке и реализации проектов снабжения потребителей на базе перспективного топлива – сжиженного природного газа. Научно-практическое значение работы состоит в том, что представленные результаты могут быть использованы при проектировании автономных систем газоснабжения, а также в учебном процессе российских вузов.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Схема газоснабжения потребителей, удаленных от опорных пунктов газоэнергоснабжения на базе СПГ, отличающаяся наличием дополнительного теплообменного оборудования на участках подготовки природного газа к сжижению и на участке выгрузки СПГ потребителю, а также использованием усовершенствованной конструкции транспортной цистерны.
-
Математическая модель нахождения оптимального местоположения завода по производству СПГ, учитывающая ряд таких существенных факторов как координаты потребителей, объемы потребления, местоположение существующего магистрального газопровода.
-
Предложенное конструктивное решение цистерны для транспортировки СПГ потребителям, состоящее в добавлении в конструкцию дополнительной оболочки, которая создает полость для транспортировки хладоно-сителя.
-
Математические модели определения основных параметров сжиженного природного газа на участках заправки и выгрузки СПГ, в предложенной схеме автономного газоснабжения потребителей.
-
Методика технико-экономической оценки основных параметров разработанной схемы автономного газоснабжения потребителей на базе СПГ.
Личный вклад автора. Автору принадлежат: разработка математических моделей оптимального местоположения завода по производству СПГ, разработка новых технических решений в схеме транспортирования сжиженного природного газа, проведение численного эксперимента, анализ полученных данных, получение расчетных зависимостей.
Апробация работы. Основные положения докладывались на научных семинарах кафедры ТГВ СГТУ, филиала кафедры в ОАО «Гипронии-газ», а также на Международных научно-практических конференциях, в том числе: «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2009), Международном научно-практическом симпозиуме «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (Саратов, 2010), Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2011), 14-й Международной научно-практической конференции «Экология. Человек. Общество» (Киев, 2011), 24-й и 25-й Международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологиях», аккредитованных по программе У.М.Н.И.К. (Пенза, 2011, Саратов, 2012).
Публикации. Результаты диссертации изложены в 24 опубликованных работах объемом 112 страниц, из них 53 страницы принадлежат лично автору. 6 работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ: «Вестник Саратовского государственного технического университета», «Научный вестник Воронежского ГАСУ», «Вестник ВолгГАСУ», «Вестник МГСУ», Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело».
В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертационного исследования: в работах [1, 2] представлены результаты сравнительного анализа использования различных систем газоснабжения потребителей. В работах [1, 3] представлена математическая модель определения оптимального местоположения завода по производству СПГ, в работе [4] представлена усовершенствованная схема газоснабжения потребителей на базе СПГ, в работе [5] представлена новая конструкция цистерны для транспортировки СПГ, в работе [6] представлена математическая модель определения основных парамет-
ров природного газа и хладоносителя в схеме газоснабжения потребителей СПГ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит: 115 страниц текста, 30 рисунков, 32 таблицы, список литературы включает 139 наименований.
Современное состояние и перспективы развития систем газификации Российской Федерации
Система транспорта газа занимает особое место в газовой отрасли любой страны, которая позволяет формировать баланс и синхронизировать динамику потребления и добычи газа. Прогнозирование объемов развития и реконструкции системы транспортировки газа включает два этапа: на первом решаются задачи системного уровня, на втором – формируются принципиальные технические решения на уровне отдельных объектов [25,54].
В 2010 Минэнерго России разработало Генеральной схему развития газовой отрасли на период до 2030 года в рамках Комплекса мероприятий по развитию системы трубопроводного транспорта углеводородного сырья в Российской Федерации, утвержденного Минпромэнерго 10.09.2004, подготовленного во исполнение поручения Президента Российской Федерации от 25.02.2004 № Пр-313[128]. Основной целью Генеральной схемы является определение экономически обоснованных стратегических направлений развития газовой отрасли для обеспечения надежного газоснабжения российских потребителей и выполнения обязательств по межправительственным соглашениям и заключенным контрактам на поставки природного газа в зарубежные страны. Данный документ был утвержден 15 апреля 2011 года1. Согласно Генеральной схеме развития газовой отрасли к 2030 году ожидаемый рост внутреннего потребления должен составить около 155 млрд. куб.м., а годовой уровень потребления вырастет до 580 млрд. куб. м и более.
На сегодняшний день доля газа в топливно-энергетическом балансе России превышает 54%, что является одним из самых высоких показателей в мире, при этом главным приоритетом для газовой отрасли является внутренний российский рынок, потенциал которого очень высок. Одним из важнейших условий повыше ния внутреннего потребления газа является газификация регионов Российской Федерации. В результате планируемых к реализации мероприятий уровень газификации России предполагается довести до среднего уровня индустриально развитых стран мира (86%)[139].
Существующая в России технология газификации с использованием сети газовых магистралей практически исключает из этого процесса целые районы с малыми населенными пунктами, фермерскими хозяйствами, коттеджными поселками, отдельными объектами промышленности, малыми предприятиями.
По данным ОАО Газпром уровень газификации природным газом к началу 2012 года увеличился на 9% (в сравнении с показателями на начало 2005 года) и составил 63,2% в среднем по России, в том числе в городах — 70%, в сельской местности — 46,8%2. Однако, если уровень газификации населения Европейской части страны достаточно высок и достигает 75 и более процентов, то газификация Сибири и Дальнего Востока находится на уровне от 30 до 35%.
Приведем сведения по уровню газификации некоторых субъектов РФ3:
- Вологодская область – уровень газификации природным газом составляет 51 %, сжиженным углеводородным газом – 21,4 %;
- Волгоградская область - уровень газификации региона составляет 80 % и 52 % в сельской местности;
- Кировская область – 35%;
- Республика Марий Эл - уровень газификации сельской местности до 60 % при общем уровне 76,3 %;
- Республика Алтай - уровень газификации региона сжиженным газом составляет 63,8%.
Газификация энергоизбыточных регионов Восточной Сибири и Дальнего Востока проходит в принципиально иных условиях, чем газификация энергодефицитных европейских районов России. Прокладка газотранспортных магистра лей на востоке страны обходится гораздо дороже, чем на западе, особенно в малонаселенных и труднодоступных районах.
У многих газовых хозяйств страны количество подземных газопроводов и оборудования, отслуживших нормативный амортизационный срок из года в год нарастает. Из-за отсутствия необходимых инвестиций процент реконструированных газопроводов за последние 3 года не превышает 40%. Суммарные ежегодные затраты на реконструкцию газораспределительных систем (газопроводы, подземные переходы, установки ЭХЗ, оборудование и т.д.) оцениваются порядка 15 млрд. рублей. Аналогичная ситуация наблюдается и в системе эксплуатации внутридомового газового оборудования. В настоящее время в эксплуатации находится более 54 млн. единиц газового оборудования, из них: около 41 млн. газовых плит, 13 млн. проточных и емкостных водонагревателей. Срочной замены требуют 10 млн. единиц оборудования [40, 41].
С целью оптимизации создаваемых мощностей по газоснабжению и газификации особое значение приобретает использование современных высокоэффективных энергосберегающих технологий, оборудования и максимально полное использование энергии природного газа[64].
В соответствии с Программой газификации регионов РФ4 газификацию населения планируется осуществлять с учетом наличия и развития в регионах запасов природного газа, а также с использованием альтернативных энергоносителей, включая сжиженный и компримированный природный газы (СПГ и КПГ), сжиженный углеводородный газ (СУГ).
Системы автономного топливоснабжения (АСТ), основанные на использовании сжиженного углеводородного газа и сжиженного природного газа, давно применяются во всем мире и обладают рядом преимуществ перед другими видами топлива[24,91,93]. Использование СУГ и СПГ дает, во-первых, экологический эффект, поскольку эти виды топлива в минимальной степени наносят ущерб окружающей среде. Во-вторых, высвобождаются большие площади, где прежде хранилось твердое или жидкое топливо. Наконец, в-третьих, в ряде случаев экономится довольно значительное количество электроэнергии[50,119].
Около половины суммарного объема расходуемых в мире сжиженных газов приходится на коммунально-бытовой сектор. Разнообразные виды систем автономной газификации охватывают множество конечных потребителей — от приготовления пищи в дачных домиках до генерации тепла электроэнергии в коттеджных поселках и крупных коммерческих объектах (складах, торговых центрах, базах отдыха и т. д.)[98,106]. Спрос на сжиженный газ в данном секторе определяется территориальными и климатическими особенностями страны (региона), величиной площадей, не охваченных сетью магистральных газопроводов, ценами на конкурирующие виды источников тепла (дрова, уголь, дизельное топливо, элек-тричество)[30].
В январе 2012 года правительство России приняло постановление «О внесении изменений в основные положения формирования и государственного регулирования цен на газ и тарифов на услуги по его транспортировке на территории РФ»5[105]. Данный документ предусматривает, что конечный потребитель, даже в самых отдаленных регионах страны, где не проложены газопроводы, будет гарантированно получать СПГ по цене, равной стоимости сетевого газа, установленной для данного субъекта РФ.
СПГ обладает уникальными физико-химическими свойствами, имеет сравнительно невысокую цену и значительные экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлива. Эти факторы вместе с огромными разведанными запасами исходного сырья — природного газа, а также развитой сетью магистральных газопроводов делают СПГ универсальным энергоносителем XXI века[107,135].
Усовершенствование конструкции транспортных средств для доставки сжиженного природного газа
Учитывая меньшую плотность сжиженного природного газа по сравнению с плотностью других криопродуктов для транспортировки СПГ используются специальные емкости[137]. Наиболее эффективным средством доставки газа в сжиженном виде является использование контейнеров-цистерн, которые позволяют сократить потери продукта, при этом упрощается процесс транспортировки и сокращается время перевозки.
Подчеркнем преимущества автономной поставки природного газа перед любой другой. Это распределённая мобильная одноступенчатая система поставок от производителя (станции сжижения на месторождении или газопроводе) до потребителя; покупка газа с точностью до объёма одной цистерны (что особенно важно для потребителей небольших объёмов газа); лёгкость перевалки с одного вида транспорта на другой и возможность переадресации груза. Контейнер-цистерны с СПГ могут применяться в качестве временного хранилища (месяц, сезон, год) для группы домохозяйств, сельскохозяйственных ферм, небольших посёлков. Сосуд для перевозки сжиженного газа является изделием, при выборе которого необходимо особенно строго относиться к качеству изготовления и соблюдению всех необходимых требований норм и правил в процессе изготовления, т.к. от его надежности зависит безопасность всей системы автономного газоснабжения. На сегодняшний день производителей криогенных цистерн в России не так много, в отличие от компаний, предлагающих продукцию различных производителей. Поскольку технологические особенности построения системы автономного газоснабжения определяют конструкцию цистерны, большинство производителей изготавливают схожие емкости.
Все криогенные цистерны имеют специфические конструктивные элементы, к которым относятся: криогенная емкость; система коммуникаций; распределительная, контрольно-измерительная и предохранительная арматура. Но все же есть и отличительные особенности в конструкции отдельных узлов и систем. Таблица 2.4 Характеристики емкостного оборудования для перевозки СПГ, разработанного ЗАО "Криогаз"1
Для решения задачи по улучшению эксплуатационных возможностей крио-цистерны предлагается модернизация конструкции за счет устройства в цистерне дополнительной оболочки, что позволит снизить теплопередачу к СПГ и экономически эффективнее использовать цистерну в цикле производства и доставки природного газа потребителям.
Для разработки новой конструкции криогенной цистерны был проведен патентный поиск и литературный обзор [22,94,126,134] и отмечены основные недостатки используемых в настоящее время емкостей для транспортировки СПГ. К ним относятся:
- отсутствует возможность перевозки нескольких видов жидкости при раз личных температурах;
- недостаточная теплоизолированность корпуса цистерны для перевозки СПГ, в результате к жидкой фазе через перегородки передается тепло от окру жающей среды, что уменьшает предельные сроки транспортирования и возника ют потери сжиженного газа на испарение за счет внешних теплопритоков.
В качестве ближайшего аналога для разработки модернизированной конструкции Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является а выбрана автомобильная цистерна для хранения и транспортирования сжиженного природного газа, разработанная ПК НПФ «ЭКИП» (www.ekip-projects.ru, дата просмотра 7.06.2011). Аналог представляет собой цистерну для хранения и транспортирования сжиженного природного газа и состоит из основной оболочки, которая крепится на автомобильной платформе, на внутренней поверхности основной обо-1 http://cryogas.ru/contacts.html лочки подвешивается сосуд, предназначенный для перевозки сжиженного природного газа; пространство между основной оболочкой и сосудом заполнено изолирующим материалом. Цистерна также используется для приема, временного хранения, транспортировки и выдачи СПГ потребителям. Недостатком данной автомобильной цистерны является неполная сохранность перевозимого сжиженного природного газа в результате теплопритоков из окружающей среды и невозможность применения в разработанной схеме.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи по улучшению эксплуатационных возможностей цистерны и уменьшения теплопередачи к перевозимому сжиженному природному газу, является то, что объем сосуда предлагается использовать для перевозки сжиженного природного газа при доставке его до потребителя, и для транспортировки жидкостей (хладоноси-телей), имеющих высокую, относительно окружающего воздуха, температуру кипения и температуру плавления, сопоставимую с температурой кипения перевозимого сжиженного природного газа при криогенных температурах от пункта ре-газификации до пунктов сжижения.
Поставленная задача по улучшению эксплуатационных возможностей цистерны достигается тем, что в автомобильной цистерне для транспортирования сжиженного природного газа, между основной оболочкой и сосудом для перевозки СПГ предлагается установить дополнительную оболочку, а пространство между основной и дополнительной оболочкой использовать для перевозки хладоно-сителей, при этом пространство между дополнительной оболочкой и сосудом следует заполнить высокоэффективным изолирующим материалом.
Сущность предлагаемой модели цистерны поясняется схемой, приведенной на рис. 2.4. Цистерна включает в себя наружную оболочку 1, выполненную из стальных цилиндрических обечаек и эллиптических днищ, соединенных на сварке. Наружную оболочку 1 крепят на автомобильной либо железнодорожной платформе. На внутренней поверхности наружной оболочки 1 предусмотрены кронштейны для крепления цепей и опоры для подвешивания дополнительной оболочки 2. Дополнительная оболочка 2 представляет собой сварную конструкцию из стальных обечаек и эллиптических днищ. Пространство между основной 1 и дополнительной 2 оболочками используют для перевозки жидкостей (хладоносителей) имеющих высокую, относительно окружающего воздуха, температуру кипения, и температуру плавления, сопоставимую с температурой кипения перевозимого сжиженно го природного газа.
Определение перерасхода топлива при использовании предлагаемой схемы доставки СПГ
Во время эксплуатации автоцистерны основными затратами являются затраты в топливную составляющую. В связи с этим необходимо произвести расчет потребности топлива при двух вариантах доставки. Первый вариант - доставка газа на основе существующих цистерн, второй вариант - доставка на базе предлагаемой цистерны.
Количества расходуемого бензина, определяется по формуле: где - норма расхода бензина, ; - норма расхода бензина на 100км перевозку полезного груза, т км ; - длина маршрута, км; - объем транспортной работы, ткм, определяется по формуле: = Мгр (3.50) где Мгр - масса перевозимого груза, в нашем случае это масса СПГ, МСПГ, и масса хладоносителя МХЛАД. Введем в формулу (3.49) следующие обозначения: Тогда, формула (3.49) примет вид: Расход топлива по первому варианту будет равен: Для доставки СПГ с помощью предлагаемой цистерны количество рейсов увеличится. Следовательно, длина маршрута будет больше. Тогда, количество рейсов, п, равно: Vcnr 16 Соответственно, длина маршрута будет равна: Определим перерасход топлива по второму варианту: Длина маршрута по доставке СПГ принимается из оптимизационного расчета, приведенного во второй главе настоящей диссертационной работы. Основным преимуществом применяемой схемы является экономия электроэнергии за счет уменьшения мощности компрессорного агрегата.
Максимальное количество продукта в сосуде определяется объемом заполнения, который регламентируется нормативами [22,53]. Согласно которым объем продукта не должен превышать 90% объема сосуда, при давлении резервуара не более 0,6 МПа.
Определим высоту столба жидкости относительно нижней точки сосуда в зависимости от объема заполнения и выявим зависимость объема незаполненной части сосуда. где R – радиус днища сосуда. После интегрирования и соответствующих преобразований получим расчетную формулу для определения объема продукта в зависимости от угла сегмента. Объем незаполненной части обечайки определяется по формуле: Суммарный объем незаполненной части цистерны: После преобразований полученных выражений определим зависимость угла q от суммарного объема незаполненной части сосуда V . Суммарный объем незаполненной части составляет 10% от общего объема сосуда. Общий объем сосуда определяется как сумма объема днищ и обечайки по формуле: Зная уровень заполнения продуктом H можно определить усилия на стенки сосуда, необходимые для проведения расчета на прочность [67б,125]. 3.6 Расчет модельной цистерны на прочность Произведем расчет цистерны на прочность в зависимости от гидростатического давления СПГ и хладоносителя. Основной задачей расчета на прочность является определение толщины стенки сосуда при которой приложенная нагрузка не вызывает напряжений, превышающих максимально допустимые [12,20,65] . Нам необходимо произвести расчет для внутренней оболочки для хранения СПГ, для промежуточной оболочки и для наружной оболочки. Нагрузку, приложенную к оболочке, разложим в ряд: P = еҐ Pn cos nq , (3.65) n и=2 где P - внешняя нагрузка; Pn - коэффициент разложения нагрузки в ряд Фурье; q - угол, характеризующий нагрузку в любой точке. Гидростатическое давление в любой точке оболочки определяется по формуле[124]: p = gR(cosq - cosq0 ), (3.66) где g - удельный вес груза; q0 - угол, характеризующий уровень заполнения цистерны; q - угол, характеризующий нагрузку в произвольной точке оболочки. Коэффициент разложения гидростатического давления в ряд, определяется соотношениями Эйлера-Фурье:
Для определения напряжений воспользуемся уравнением равновесия для элементарного кольца, выделенного из оболочки, в следующем виде [125]: Если принять, что концы цистерны свободно опираются, а перемещение vn (І1) = 0 и сила Г„&) = 0 при безразмерной координате = &, получим: Определив г п(о) и Г1п(о), можно определить перемещения и усилия для сечения с любой координатой . Напряжения в цилиндрической части оболочки от продольной силы Т и изгибающего момента М[95]: На поперечных площадках сечения напряжение о суммируется с напряжением изгиба оболочки, рассматриваемой как тонкостенная балка[95]: где Миз - изгибающий момент в выбранном сечении оболочки. Результаты расчета зависимости напряжений от толщины стенки оболочек криогенной цистерны представлены в таблицах 3.6 3.8.
Определение расхода топлива и экономического эффекта от внедрения новой конструкции цистерны
Для оценки экономической эффективности применения предлагаемого метода доставки сжиженного природного газа различным категориям потребителей, произведем его сравнение с базовым[44]. В качестве базового варианта принимаем схему газоснабжения потребителей на базе СПГ с помощью автомобильной цистерны полуприцепа. Предлагаемый вариант газоснабжения реализуется с помощью разработанной конструкции криогенной цистерны. Подробное описание устройства и принцип действия предлагаемого варианта доставки СПГ приведено в главе 2 настоящей работы. Сравнение вариантов будем проводить согласно методике, изложенной в [90].
Таким образом экономический эффект запишется в следующем виде: где К1р, К2р – капитальные вложения в р-тый элемент системы по базовому и предлагаемому вариантам, соответственно, руб.; m – номер очередных капитальных вложений; n – количество очередных капитальных вложений (количество замен р-того элемента за срок службы системы); t=mt0 – год очередных капитальных вложений; t0 – срок службы р-того элемента системы, лет; – коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; И1, И2 – эксплуатационные расходы на обслуживание, энергетические ресурсы по базовому и предлагаемому вариантам, соответственно, руб./год; t – номер года эксплуатации; Т – срок службы системы, лет; Е – норма дисконта, 1/год, принимается равной средней кредитной ставке банка в условиях рыночной экономики, Е=0,1 1/год.
Количество замен р-того элемента за срок службы системы определяется по формуле: n = j-\- (5-25)
Срок службы элементов для сравниваемых вариантов примем равный 20 лет. Так как сооружение предлагаемой и базовой цистерны осуществляется в пределах одного года, капитальные вложения для обоих вариантов не дисконтируются во времени. При проведении расчета по принципу нетто не учитываются составляющие капитальных и эксплуатационных затрат, одинаковых для обоих вариантов.
Капитальные вложения по базовому варианту определяются как: де К1 - капитальные затраты в транспортную цистерну, принимаются по прейскурантам заводов-изготовителей, руб.
Приведенный поправочный коэффициент у/пр в определяется по формуле: где у/нр - коэффициент, учитывающий удорожание работ за счет накладных расходов, у/нр=\,\6 (16% стоимости работ); у/ пн - коэффициент, учитывающий удорожание работ за счет плановых накоплений, ynH=\,\2 (12% от суммы сметных капвложений К, и накладных расходов); у ндс- коэффициент, учитывающий налог на добавленную стоимость, у ндс =1,18.
Тогда, согласно формулы (5.27), получим: Эксплуатационные затраты по базовому варианту определяются по формуле: и(1 + Е)- =((PlK1 +c3g3mcnrT2)j (l + Ey , (5.28) где сэ - стоимость 1МВт-ч электроэнергии, расходуемой компрессором, составляет 1946,02 руб/МВт-ч; g3 - количество электроэнергии, потребляемое компрессором по базовому варианту, кВт-ч/(кг СПГ), составляет 0,264 кВт-ч в расчете на 1 кг СПГ; тспг- масса СПГ перемещаемая одной цистерной объемом 16 м3, кг; тг продолжительность эксплуатации компрессора в течении года составляет 365 дней/год; і - доля годовых отчислений на эксплуатацию криогенной цистерны
[9] Эксплуатационные затраты по формуле (5.5) составят:
Интегральные затраты по базовому варианту за весь срок эксплуатации цистерны составят: де К2 - капитальные затраты в транспортную цистерну, приняты по прейскуранту, с учетом вносимых изменений в конструкцию, руб.
Эксплуатационные расходы по предлагаемому варианту определяются по формуле: где ст - стоимость 1 л дизельного топлива, дополнительно расходуемого на перевозку хладоносителя, принимается по ценам на 3 квартал 2012 года в размере 27,33 руб; /- расстояние пройденное цистерной до населенного пункта и обратно, принимается по результатам оптимизационных расчетов, представленных во 2 главе настоящей работы, равным 418,2 км. При этом длина пути соответствует одной смене в день; gm- количество дополнительно расходуемого топлива на пе ревозку хладоносителя из расчета на 1 кг СПГ, л/км(кг СПГ); t г - продолжительность эксплуатации цистерны в течение года, составляет 365 дней/год; 2 -доля годовых отчислений на эксплуатацию криогенной цистерны [9].
Воспользовавшись методикой, приведенной в 3 главе, определим затраты энергии компрессора gэ при различных соотношениях масс хладоносителя и СПГ. Результаты расчетов представлены в таблице 5.4 и на рис. 5.3.
Аппроксимируя полученные значения в интервале от 0,5 до 2,057, получим следующее выражение для определения затрат энергии компрессора: где - номер года эксплуатации; Т - срок службы системы, лет; Е - норма дисконта , І/год, принимается равной средней кредитной ставке банка в условиях рыночной экономики, =0,1 І/год.; AZf77 - экономия затрат на электроэнергию при производстве СПГ, руб.; AZnjI - стоимостная оценка эффекта при сравнении затрат на топливо при транспортировке СПГ, руб.; AZ KcnjI- разность затрат на эксплуатацию цистерны по базовому и предлагаемому варианту, руб. где: сэ - стоимость 1МВт-ч электроэнергии, расходуемой компрессором, составляет 1946,02 руб/МВт-ч; g3 - количество электроэнергии, потребляемое компрессором по базовому варианту, кВт-ч/(кг СПГ), составляет 0,264 кВт-ч в расчете на 1 кг СПГ; тСПГ- масса СПГ перемещаемая одной цистерной объемом 16 м3, кг; тг -продолжительность эксплуатации компрессора в течении года составляет 365 дней/год. где ст - стоимость 1 л дизельного топлива, дополнительно расходуемого на перевозку хладоносителя, принимается по ценам на 3 квартал 2012 года в размере 27,33 руб; /- расстояние пройденное цистерной до населенного пункта и обратно, принимается по результатам оптимизационных расчетов, представленных во 2 главе настоящей работы, равным 418,2 км. При этом длина пути соответствует одной смене в день; gm- количество дополнительно расходуемого топлива на перевозку хладоносителя из расчета на 1 кг СПГ, л/км-(кг СПГ); тг - продолжительность эксплуатации цистерны в течение года, составляет 365 дней/год. где К1 - капитальные затраты в транспортную цистерну, принимаются по прейскурантам заводов-изготовителей, руб., К2 - капитальные затраты в транспортную цистерну, приняты по прейскуранту, с учетом вносимых изменений в конст рукцию, руб., і - доля годовых отчислений на эксплуатацию криогенной цистерны по базовому и предлагаемому варианту [9].
