CC BY
208
УДК 621.6.036
Е.В. Иванова, М.В. Павлутин ПОСЕЛКОВЫЕ СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА
В статье приведены: оптимальные типоразмеры подземных резервуаров в зависимости от годового объема газопотребления; необходимый остаточный уровень газа в резервуаре; периодичность его заправок для надежного газоснабжения. Определена область экономически эффективного применения баллонных и резервуарных установок. Приведено обоснование применения грунтовых испарителей сжиженного газа шахтного типа, повышающих надежность и безопасность систем газоснабжения. Представлена номограмма для определения паропроизводительности грунтового испарителя.
E.V. Ivanova, M.V. Pavlutin SYSTEMS OF GAS SUPPLY OF SETTLEMENTS ON THE BASIS OF THE LIQUEFIED PETROLEUM GAS
This article describes the optimum standard sizes of underground tanks depending on annual volume of gas consumption; a necessary residual level of gas in the tank; periodicity of its refueling for reliable gas supply. The area of eco-
nomically effective application of cylinder and tank installations is presented here. The substantiation of application of earth evaporators of the liquefied gas of mine type raising reliability and safety of systems of gas supply is shown by the author. Nomogramm for definition of pair productivity the earth evaporator is presented here as well.
Сжиженные углеводородные газы (СУГ) получили широкое распространение как источники газоснабжения городов и сельских поселков России, удаленных от магистральных газопроводов природного газа.
В существующей практике снабжение сжиженным газом сельских поселков, а также жилых массивов городов с одноэтажной (усадебной) застройкой осуществляется, как правило, от индивидуальных газобаллонных установок, размещаемых в помещениях, где установлены газовые приборы.
При проектировании баллонного снабжения сжиженным газом обычно исходят из практических рекомендаций: один баллон емкостью 50 литров обеспечивает газоснабжение квартиры в течение 20^30 суток. При этом предполагается, что сжиженный газ, находящийся в баллоне, реализуется потребителем полностью, наличие остаточного уровня газа в баллоне не предусматривается.
Вместе с тем, при низком остаточном уровне газа в баллоне испарительная способность последнего не удовлетворяет расчетной потребности. Потребитель в данном случае вынужден довольствоваться меньшим количеством газа, то есть наблюдается частичный отказ систем газоснабжения. В ряде случаев испарение газа в баллоне вообще прекращается (полный отказ систем газоснабжения).
Характерной особенностью систем газоснабжения является их социальный характер, так как они обслуживают людей и обеспечивают их нормальную жизнедеятельность. Прекращение подачи газа, перебой в газоснабжении снижает жизненный тонус людей, нарушает ритм жизни и питания, что способствует заболеваниям и отрицательно воздействует на состояние организма человека [1]. В связи с этим проектирование и эксплуатацию баллонных систем снабжения сжиженным газом необходимо осуществлять с учетом требований к устойчивости и надежности газоснабжения. При этом определенную роль играют величина остаточного уровня газа в баллоне и периодичность замены баллонов у потребителя работниками газовой службы. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что надежное газоснабжение потребителя от баллонных установок с максимальной обеспеченностью газопотребления требует наличия остаточного уровня газа в размере 24% (при установке в квартирах только газовых плит) и 32% (при установке в квартирах газовых плит и водонагревателей). При этом баллон емкостью 50 литров обеспечивает работу газового оборудования в течение 22 и 12 суток соответственно [2, 3].
Г азификация процессов приготовления пищи, а также приготовления горячей воды на хозяйственные и бытовые нужды не решает всех вопросов инженерного сервиса зданий. Бурное развитие строительства загородных домов и коттеджей с повышенным уровнем инженерного благоустройства предъявляет дополнительные требования к качеству энергообеспечения квартир на газовом топливе, включая отопительно-вентиляционные нужды. При этом все более широкое распространение получают децентрализованные системы газоснабжения на базе подземных резервуарных установок.
Как показывают результаты технико-экономических исследований, наиболее эффективный вариант децентрализованного снабжения потребителей сжиженным газом от резер-вуарных установок обеспечивается на базе подземных цилиндрических резервуаров вертикального типа с применением новой технологии производства земляных работ. При этом полностью исключается вывоз грунта в отвал, в 8 раз сокращается потребность песка для обратной засыпки котлована при общем снижении сметной стоимости строительства на 34,7%.
В целях максимальной адаптации технических решений к конкретным условиям газовой практики разработан оптимальный типоряд подземных вертикальных резервуаров сжиженного газа, включающий в себя 6 типоразмеров объемом от 1,3 до 4,7 м3 (табл. 1) [4].
Таблица 1
Конструктивные параметры подземных вертикальных резервуаров сжиженного газа
Наименование параметра Обозначение (марка) резервуара
РПВ-1,3 РПВ-1,7 РПВ-2,3 РПВ-3,0 РПВ-3,8 РПВ-4,7
1. Г еометрический объем резервуара Ур, м3 1,3 1,7 2,3 3,0 3,8 4,7
2. Полезный объем
резервуара Уо при 85%-м 1,1 1,45 1,96 2,55 3,23 4,0
заполнении, м3
3. Внутренний диаметр корпуса ё, мм 900 1000 1200 1400 1600 1800
4. Толщина стенки 5: 6 6 6 6 8 8
а) корпуса (обечайки), мм
б) днищ, мм 6 6 8 8 10 10
5. Длина резервуара (по эллиптическим днищам) /, мм 2100 2100 2100 2100 2100 2100
Выбор оптимального типоразмера подземного резервуара сжиженного газа для конкретного потребителя проводится в зависимости от объема его годового газопотребления. В целях определения оптимального геометрического объема индивидуальной резервуарной установки были проведены соответствующие исследования, основные результаты которых представлены в табл. 2.
Таблица 2
Выбор оптимального типоразмера подземного резервуара сжиженного газа
Характеристика объекта газоснабжения Максимальный часовой расход газа ятх ■ кг/ч В том числе на отопление, gчас , ’ ошах,ом’ кг/ч Годовой расход газа, дгод> кг/ год Годовое энергопо- требление, Огод, МВт/год Рекомендуемый объем резервуара, Ур, м3 по [5]
Усадебные (коттеджные) здания; газовые плиты 0,70 - 216,66 2,83 1,3
То же, плиты и водонагреватели 2,24 - 339,69 4,43 1,3
Усадебные здания; газовые плиты и печи (котлы) непрерывного действия 1,61 1,36 0,90 0,66 1203,70 672,03 28,92 14,23 2.3 1.3
Усадебные здания; газовые 6,10 5,39 1204,14 33,39 3,0
ческого действия 4,63 3,93 672,10 8,40 2,3
Коттеджные здания, газовые плиты, водонагреватели и газовые отопительные котлы 3,78 3,31 1,61 1,14 2104,65 1133,98 49,46 23,02 3,0 2,3
Примечание к таблице 2: В числителе холодная климатическая зона; в знаменателе -умеренно-теплая климатическая зона.
Как видно из табл. 2, оптимальный геометрический объем индивидуальной резерву-арной установки изменяется в широких пределах 1,3 до 3,0 м3. Указанное обстоятельство обусловливает необходимость дифференцированного подхода к выбору объема резервуар-ной установки при проектировании и сооружении систем децентрализованного снабжения сжиженным газом.
Надежное снабжение потребителей сжиженным газом требует обоснования необходимого остаточного уровня газа в резервуаре и периодичности заправок резервуарных установок. Результаты соответствующих исследований приводятся в табл. 3.
Таблица 3
Эксплуатационные характеристики резервуарных установок СУГ
Характеристика объекта газоснабжения Рекомен- дуемый объем резервуа- Остаточный уровень газа в резервуаре, фост, % Продолжительность эксплуатации резервуара между соседними заправками, т, сут. Годовое количество заправок резервуа- Минимальная продолжительность эксплуатации резервуара между соседними
ра, Ур, м3 ра, п заправками, тгтагь сут.
Усадебные (кот-
теджные) здания; 1,3 24 551 0,5 490
газовые плиты
То же, плиты и водонагреватели 1,3 55 180 2 154
Усадебные зда-
ния; газовые плиты и печи (котлы) непрерывного 2.3 1.3 55 28 115 221 3 2 55 78
действия
Усадебные зда-
ния; газовые плиты, газовые печи периодического 3 2,3 54 46 155 268 2 1 74 95
действия
Коттеджные зда-
ния, газовые пли- 3 50 72 5 34
ты, водонагрева-
тели и газовые
отопительные котлы 2,3 32 216 2 76
Примечание к таблице 3. В числителе холодная климатическая зона; в знаменателе -умеренно-теплая климатическая зона.
Как видно из табл. 3, величина остаточного уровня газа в резервуаре изменяется в широком диапазоне от 24% (усадебные или коттеджные здания, оборудованные газовыми плитами) при эксплуатации в любой климатической зоне, до 60% (коттеджные здания, оборудованные плитами, водонагревателями и отопительными котлами) при эксплуатации в холодной климатической зоне.
В зависимости от технических характеристик объектов газоснабжения и климатических условий эксплуатации годовое количество заправок изменяется также в широких пределах: от одной заправки в два года для усадебных (коттеджных) зданий, оборудованных газовыми пли-
тами при эксплуатации в любой климатической зоне до пяти заправок в год для коттеджных зданий, оборудованных газовыми плитами, водонагревателями и отопительными котлами при эксплуатации в холодной климатической зоне. При этом минимальная продолжительность эксплуатации резервуара между соседними заправками изменяется от 490 до 34 суток.
Анализ технических характеристик баллонных и резервуарных систем снабжения сжиженным газом показывает, что при выборе источника децентрализованного газоснабжения населенных пунктов определяющую роль играет характер потребителей газа. При использовании СУГ на все бытовые и хозяйственные нужды, включая отопление квартир (газовые отопительные печи или котлы), рекомендуется использовать индивидуальные резерву-арные установки. При использовании газа только на цели пищеприготовления (пищеприго-товление и горячее водоснабжение) при оборудовании квартир газовыми плитами (плитами и водонагревателями) взаимно конкурентоспособны децентрализованные системы газоснабжения на базе индивидуальных резервуарных или баллонных установок.
Экономически обоснованная область применения баллонных систем снабжения сжиженным газом ограничивается удаленностью населенных пунктов от ГНС на расстоянии до 125 км (при установке в квартирах газовых плит) и на расстоянии до 50 км (при установке в квартирах газовых плит и водонагревателей). При большей удаленности потребителей целесообразно использовать индивидуальные резервуарные установки.
В системах централизованного снабжения сжиженным газом жилых массивов, а также крупных промышленных предприятий и объектов сельскохозяйственного производства широкое распространение получили групповые резервуарные установки.
В современной практике газовых хозяйств России находится в эксплуатации свыше 30 тыс. подземных резервуарных установок с общим числом резервуаров различного объема около 75 тысяч. Подавляющее большинство групповых резервуарных установок работают по принципу естественной регазификации, используя природное тепло грунта. Столь широкие масштабы использования резервуарных установок с естественной регазификацией (РУЕР) СУГ обусловливается их техническими преимуществами:
- отсутствие необходимости в специальном теплоносителе для регазификации сжиженного газа;
- отсутствие необходимости в установке дорогостоящей автоматики безопасности и регулирования процесса испарения;
- простота монтажа и эксплуатации резервуарных установок.
Следует отметить, однако, что в Российской Федерации с ее суровыми климатическими условиями применение резервуарных установок с естественной регазификацией в самих расходных емкостях имеет целый ряд существенных недостатков, главными из которых является низкая паропроизводительность в холодный период времени года и, как следствие, большая металлоемкость (капиталовложения) на единицу испаренного газа.
Применение грунтовых испарителей сжиженного газа шахтного типа в значительной степени устраняет отмеченные недостатки и обеспечивает более эффективное использование РУЕР.
Основными преимуществами таких испарителей является малая площадь для размещения испарительных колонок, возможность применения для производства работ высокопроизводительной буровой техники, сокращение сметной стоимости и сроков строительства.
Принципиальная схема резервуарной установки сжиженного газа, оборудованной шахтными грунтовыми теплообменниками, приводится на рис. 1.
Схема работает следующим образом.
В начальный период эксплуатации паровая фаза из расходного резервуара 1 по паровому стояку через байпасный клапан 2 подается в грунтовый теплообменник 4, а затем через поплавковый клапан-отсекатель жидкости 5 и регулятор низкого давления 3 поступает к потребителю. При снижении давления паров газа в резервуаре до 2500 даПа байпасный клапан
закрывается. Образующийся при этом перепад давлений между резервуаром и грунтовым теплообменником обеспечивает подъем жидкой фазы из резервуара по жидкофазному стояку и подачу ее в испарительную колонку. За счет теплопритока от грунта жидкая фаза в межтрубном пространстве колонки полностью испаряется и паровая фаза через поплавковый клапан-отсекатель и регулятор низкого давления подается к потребителю.
Вследствие теплопритока со стороны окружающего грунта давление паров в резервуаре повышается и байпасный клапан снова открывается.
Г азоснабжение потребителя вновь осуществляется от паровой фазы резервуара через байпасный клапан. Цикл повторяется.
Рис. 1. Резервуарная установка сжиженного газа с грунтовыми теплообменниками типа «труба в трубе»: 1 - резервуар хранения; 2 - байпасный клапан; 3 - регулятор низкого давления; 4 - грунтовый теплообменник; 5 - поплавковый клапан-отсекатель жидкости
24ч 16ч
1
\/
> 0П1 2 3 4 5 6 7 8 Паро производительность и, кг/ч
<
/ / / ч
// В/ У \ К
/ // / ч
/ / / X
/ / /
50 60 70 80 90 100
Состав поставляемого газа, % пропана
Рис. 2. Номограмма для определения паропроизводительности шахтного грунтового испарителя сжиженного газа. Г рунт: 1 - песок; 2 - супесь; 3 - суглинок; 4 - глина. Климатическая зона: 5 - умеренно-теплая; 6 - умеренно-холодная; 7 - холодная
В результате аналитических исследований [6,7] разработана математическая модель регазификации сжиженного газа в испарительных колонках типа «труба в трубе», комплекс-
но учитывающая геометрические размеры теплообменника, теплофизические характеристики грунтового массива, климатические условия эксплуатации, состав и давление сжиженного газа и другие определяющие факторы.
Предложены рекомендации по выбору геометрических размеров и количества испарительных колонок в зависимости от расчетного расхода газа и режимов газопотребления.
Для определения паропроизводительности грунтового испарителя в проектной и эксплуатационной практике предложена номограмма (рис. 2). Применение номограммы позволяет графическим путем определить паропроизводительность одиночной испарительной колонки типа «труба в трубе» в зависимости от состава газа, характера грунта, климатической зоны эксплуатации испарителя и продолжительности отбора паровой фазы СУГ.
Оборудование резервуарных установок шахтными грунтовыми теплообменниками повышает надежность и безопасность систем газоснабжения и обеспечивает экономический эффект в объеме 17,35 тыс. рублей на одну резервуарную установку.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ионин А.А. Газоснабжение / А.А. Ионин. М.: Стройиздат, 1982. 414 с.
2. Иванова Е.В. Децентрализованные системы снабжения газом на базе индивидуальных газобаллонных установок / Е.В. Иванова // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2005. С. 167-174.
3. Курицын Б.Н. Повышение надежности газоснабжения от баллонных установок сжиженного газа / Б.Н. Курицын, М.С. Недлин, Е.В. Иванова // Газ России. Отраслевой информационно-аналитический журнал. М.: Росгазификация, 2005. С. 30-31.
4. Курицын Б.Н. Обоснование оптимального типоряда вертикальных подземных резервуаров сжиженного газа / Б.Н. Курицын, А.П. Усачев, О.Б. Шамин // Актуальные проблемы развития систем теплогазоснабжения и вентиляции: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1998. С. 19-24.
5. Курицын Б.Н. Оптимизация геометрических параметров резервуарных установок сжиженного газа / Б.Н. Курицын, А.П. Усачев, О.Б. Шамин // Совершенствование систем теплогазоснабжения и вентиляции: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1994. С. 64-71.
6. Курицын Б.Н. Резервуарные установки сжиженного газа с шахтными грунтовыми теплообменниками / Б.Н. Курицын, А.Н. Юшин, М.В. Павлутин // Перспективы использования сжиженных углеводородных газов: материалы Рос. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2003. С. 85-93.
7. Курицын Б.Н. Тепловое взаимодействие испарительных колонок сжиженного газа с грунтовым массивом при циклическом отборе паров / Б.Н. Курицын, М.В. Павлутин // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005. С. 85-93.
Иванова Екатерина Вадимовна -
аспирант кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Саратовского государственного технического университета
Павлутин Максим Владимирович -
аспирант кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Саратовского государственного технического университета
