АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СЕЗОННО-ДЕЙСТВУЮЩИХ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА КОЛИЧЕСТВО ИСПАРЕНИЙ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СЕЗОННО-ДЕЙСТВУЮЩИХ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА КОЛИЧЕСТВО ИСПАРЕНИЙ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

Научная статья

Карякина Е.Д.^1, *, Ахмеров Э.В.², Воронов В.А.³, Шаммазов И.А.⁴

¹ ORCID: 0000-0001-9702-7768;

² ORCID: 0000-0003-1692-4745;

³ ORCID: 0000-0002-4105-0739;

^{1, 2, 4} Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия;

³ Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (s195079[at]stud.spmi.ru)

Аннотация

В данной статье рассматривается возможность осуществления подземного изотермического хранения сжиженного природного газа (СПГ) в толще вечномерзлой породы. На сегодняшний день в строительной практике широко используются сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) для минимизации теплообмена между грунтом и сооружениями на нем. В работе анализируется применение таких устройств для условий подземного хранения сжиженного природного газа. Авторами предложена новая конструкция СОУ, а также выполнено моделирование взаимодействия грунта и подземного хранилища с различными вариантами расположения СОУ в течение двух лет. Проведена оценка влияния их действия на количество суточных испарений СПГ и сделаны выводы об их эффективности.

Ключевые слова: изотермическое хранилище, подземное хранение, сжиженный природный газ, резервуар, вечномерзлый грунт, boil-off rate, моделирование.

ANALYSIS OF THE EFFECT OF SEASONAL GROUND COOLING DEVICES ON THE AMOUNT OF EVAPORATION OF AN UNDERGROUND RESERVOIR OF LIQUEFIED NATURAL GAS

Research article

Karyakina E.D.^1, *, Akhmerov E.V.², Voronov V.A.³, Shammazov I.A.⁴

¹ ORCID: 0000-0001-9702-7768;

² ORCID: 0000-0003-1692-4745;

³ ORCID: 0000-0002-4105-0739;

^{1, 2, 4} Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia;

³ ITMO University, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (s195079[at]stud.spmi.ru)

Abstract

The current article discusses the possibility of underground isothermal storage of liquefied natural gas (LNG) in the permafrost layer. In today's construction operations, seasonal ground cooling devices are widely used to minimize heat exchange between the ground and structures on it. The study analyzes the use of such devices for underground storage of liquefied natural gas. The authors propose a new design for a seasonal ground cooling device and perform a simulation of the interaction of the ground and underground storage with various options for the location of the SOW for two years. The study evaluates their influence on the number of daily LNG evaporations as well as draws conclusions on their effectiveness.

Keywords: isothermal storage, underground storage, liquefied natural gas, reservoir, permafrost, boil-off rate, modeling.

Введение

Основная проблема, связанная с хранением сжиженного природного газа (СПГ) в низкотемпературных резервуарах, заключается в испарениях продукта в результате теплопритоков из окружающей среды. Давление внутри резервуара повышается, сокращая полезный объем конструкции и способствуя возникновению дополнительных напряжений материала.

Одним из способов снижения объема суточных испарений СПГ и, как следствие, затрат на повторное сжижение отпарного газа, является сооружение подземных резервуаров. Изменение температуры грунта в течение года будет значительно меньше, чем для аналогичных наземных конструкций. С целью сокращения теплообмена между СПГ и грунтом предлагается сооружение изотермического хранилища СПГ в вечномерзлых породах. [1]. Для дополнительного охлаждения хранилища предлагается использовать сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) [2], [3], [4]. Их основная цель состоит в поддержании температуры мерзлого состояния грунта, тем самым обеспечивая повышенную устойчивость сооружений, расположенных на нем. Это происходит за счет поглощения тепла и последующей передачи его в окружающую среду. Принцип работы состоит в следующем: при снижении температуры окружающей среды относительно температуры грунта пары хладагента начинают конденсироваться в верхней части. В результате чего понижается давление и хладагент в нижней части начинает вскипать и испаряться. Этот процесс сопровождается переносом тепла из испарительной части в радиаторную. Таким образом, достигается проектное значение температур.

В данной статье рассматривается совместная работу СОУ с подземным хранилищем СПГ, что позволит добиться уменьшения показателя суточной нормы испарений.

Методы и принципы исследования

Хранилище (см. рисунок 1) представляет собой вертикальный цилиндрический резервуар с внутренним радиусом 3,5 м и высотой 10 м, полностью погруженный в вечномерзлый грунт, ниже глубины сезонного оттаивания, значение которой принимается равным 1,5 – 2 м. Резервуар заполнен на 85 %.

Рис. 1 – Схематическое изображение подземного резервуара

 

В таблице 1 представлены основные параметры материалов подземного резервуара, используемых в дальнейших расчетах [5], [6].

 

Таблица 1 – Характеристики материалов подземного резервуара

Элемент конструкции	Материал	Толщина, мм	Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К	Плотность, кг/м3
Внутренняя оболочка	12Х18Н10Т	2	9,2	7,9·103
Теплоизоляция	Пенополиуретан	200	0,028	50
Внешняя оболочка	Железобетон	400	1,7	2,4·103

 

Хранение СПГ предполагается обеспечивать при температуре -162°С и постоянном давлении на уровне 0,2 МПа. При помощи ПО Refprop 7 были определены основные термодинамические параметры СПГ. Состав СПГ в молярных процентах: СН₄ – 99.8 %, N₂ – 0,13 %, С₂Н₆ – 0,07 % [7].

Процесс теплопередачи характеризуется показателем теплового потока, показывающим какое количество теплоты, перенеслось в сторону убывания температур за единицу времени, определяющийся по формуле [8], [9], [11]:

     (1)

где K – параметр теплопередачи, величина, обратная сумме термических сопротивлений в системе, учитывающая особенности теплообмена через многослойную стенку, Вт/К; ΔТ – разность температур между средами, К.

       (2) Величина теплового потока, приходящегося на поверхность днища резервуара, по формуле:          (3)

α₁ – внутренний коэффициент теплоотдачи, характеризующий теплоперенос от внутренней поверхности стенки к хранимому продукту, Вт/м²·К; α₂ – внешний коэффициент теплоотдачи, характеризующий теплоперенос от грунта к внешней поверхности изоляции, Вт/м²·К; λ_мет, λ_из, λ_ЖБ – коэффициенты теплопроводности металлической, изоляционной и железобетонной оболочки, Вт/м·К, r₁, r₂, r₃, r₄ – значения внутреннего радиуса, радиуса металлической, изоляционной и железобетонной оболочки соответственно, м; δ_мет, δ_из, δ_ЖБ – толщины стенки металлической, изоляционной и железобетонной оболочки соответственно, м;

Величина теплопритока к верхней части резервуара:

      (4)

R_n – условные радиусы сферических оболочек сосуда, м; α – коэффициент учитывающий процент, который составляет поверхность крыши от поверхности сферы.

Величина суточных потерь СПГ (BOR):

     (5)

где H_vap – скрытая теплота парообразования Дж/кг; V_СПГ – объем хранимого СПГ, м³.

Обсуждение

Моделирование распространения, возникшего во время хранения СПГ, кольца холода было осуществлено при помощи программного обеспечения Frost 3D Universal, разработанного компанией ООО «Симмэйкерс» [1]. В основе работы программы лежит численное решение уравнения теплопроводности в трехмерной постановке при помощи явного метода конечных разностей. Конечно-разностный метод является сеточным методом, расчётная область дискретизируется гексаэдрической сеткой, а решение происходит непосредственно в узлах сетки, для каждой из которых составляется разностное уравнение в соответствии с используемым шаблоном разностной схемы. Получается система линейных уравнений, решение которой позволяет получить необходимый результат в рассматриваемой расчётной области.

Для последующего анализа применения СОУ для создания кольца холода было рассмотрено изменение температуры на внешней поверхности железобетонной оболочки. Для упрощения модели принимается, что каждый месяц резервуар заполняется до проектного уровня в 85%.

Относительно значений этих температур были определены теплопритоки (формулы 1-4), приходящиеся на соответствующие участки конструкции резервуара, и получены величины BOR (формула 5). На рисунке 2 представлены графики изменения величины суточных испарений СПГ в наземном и подземном резервуарах.

Можно отметить, что сразу после начала эксплуатации резервуара наблюдается постепенное снижение уровня BOR, которое за счет климатических показателей, продолжает снижаться до начала июля, самого теплого месяца. После сентября и до мая следующего года наблюдается снижение параметра до самых низких значений, после чего возникает рост, но за счет сформировавшегося кольца холода амплитуда уменьшается.

В результате за первый год испарилось 531 м³, в среднем за месяц уровень испарений составлял 44,251 м³ (13,53 % от объема хранимого продукта). За второй год в общем количестве испарилось на 3,01% меньше объема (515 м³), что в среднем за месяц составляло 42,918 м³.

Рис. 2 – Величины BOR для наземного и подземного хранения СПГ

СОУ должны выполнять функцию создания и поддержания кольца холода вокруг подземного резервуара, тем самым снижая разность температур между хранимым продуктом и окружающим грунтом. В связи с тем, что стандартные СОУ не обладают возможностью перекрывать днище и крышу подземного резервуара, обеспечивая дополнительный приток холода – следует рассмотреть другие разновидности термостабилизирующих устройств. Предлагается модификация существующих моделей системы термостабилизации грунта, представляющая собой закрытый контур, по которому будет циркулировать реагент вокруг хранилища, выполненный аналогично технологии систем горизонтальных и вертикальных естественнодействующих трубчатых систем (ГЕТ или ВЕТ) [2]. Предполагаемая схема СОУ (см. рисунок 3).

Рис. 3 – Модель экспериментального СОУ

 

В ходе выполнения моделирования было рассмотрено несколько вариантов исполнения таких систем: с 4-мя, 10-ю и 36-ю витками, а также выполнен сравнительный анализ с использованием 4-х и 10-ти стандартных СОУ. На рисунке 4 представлены графики изменения величины среднесуточных значений BOR для каждого месяца в течение 2 лет для указанных выше вариантов.

Рис. 4 – Сравнение показателей BOR для различных вариантов установки СОУ

 

Как видно из графика (см. рисунок 4) в первые полгода величина среднесуточных испарений изменяется в значительных пределах (с 0,467 % до 0,438 % для конструкции резервуара без СОУ). В то время как применение конструкции СОУ с 36-ю витками помогает значительно снизить и поддерживать в среднем на уровне 0,43 % величину BOR на протяжении всего начального периода формирования кольца холода. Далее происходит прирост BOR в связи с наступлением самых теплых месяцев в году. Таким образом, за первый год эксплуатации для варианта с 36-ю витками, величина среднесуточных потерь СПГ (BOR) сократилась с 0,445 % до 0,43 % относительно варианта резервуара без СОУ.

По результатам моделирования был выполнен расчет потерь от испарения СПГ (формулы 1-5) в первый год эксплуатации. При внедрении четырех стандартных СОУ удалось достигнуть суммарного сокращения потерь СПГ от испарения с 531 м³ до 526,71 м³, или на 0,8%; для 10 - до 524,58 м³ (1,22 %) относительно варианта конструкции резервуара без СОУ. Столь небольшой результат может объясняться малой мощностью стандартных СОУ, а также их небольшим радиусом действия, который не способен охлаждать всю поверхность стенки равномерно. Эффективность использования предложенной конструкции из четырех витков, перекрывающих дно и крышу резервуара относительно конструкции без СОУ, возросла на 1,29 % (с 531 м³ до 524,15 м³). Применение 10 витков сократило потери на 1,89 % относительно первоначального варианта без СОУ (с 531 м³ до 521 м³). Конструкция с 36-ю витками, перекрывающими дно и крышу резервуара, позволила сократить испарения СПГ на 2,97 % относительно первоначального варианта без использования СОУ (с 531 м³ до 515,2 м³). Добиться большего понижения значения данного показателя возможно за счет увеличения толщины изоляционного слоя или увеличения мощности используемого термостабилизирующего устройства. Ко второму году эксплуатации эффективность работы СОУ снижается, так как система близится к равновесию, поэтому процесс формирования кольца холода заканчивается.

Заключение

В данной статье рассмотрено применение СОУ для поддержания температуры в подземном криогенном резервуаре. На основании проведенного анализа стандартных конструкций СОУ предложен был вариант их исполнения с перекрытием днища и крыши резервуара. Было выполнено моделирование процесса теплопередачи от грунта к хранящемуся продукту и выполнен расчет суточных потерь от испарения СПГ.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что внедрение СОУ оказывает значительное влияние на количество испарений в резервуаре только в первые полгода после начала эксплуатации хранилища. Данное техническое решение помогает сократить температурные деформации грунта и материала резервуара в начальный момент формирования кольца холода, что потенциально способствует повышению безопасности эксплуатации таких систем.

Благодарности Коллектив авторов выражает благодарность компании ООО «Симмэйкерс» за предоставленный доступ к ПО Frost 3D Universal.	Acknowledgement The authors express gratitude to the company Simmakers LLC for providing access to Frost 3D Universal software.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Воронов В.А. Анализ технических решений в области транспорта и хранения сжиженного природного газа / В.А. Воронов, Е.Д. Карякина, Э.В. Ахмеров // Вестник Международной академии холода. - 2019. - № 3. - С. 15–22. DOI: 10.17586/1606‑4313‑2019‑18‑3-15-22
2. Технология термостабилизации грунтов [Электронный ресурс]. // Официальный сайт компании программного комплекса Frost 3D Universal. – 2020. – URL: https://frost3d.ru/termostabilizatsiya-gruntov/ (дата обращения: 22.11.2020).
3. Системы температурной стабилизации вечномерзлых грунтов. Журнал технических решений [Электронный ресурс] // Официальный сайт компании ООО НПО «Фундаментстройаркос». – 2020. – URL: https://www.npo-fsa.ru/sites/default/files/sistemy_temperaturnoy_stabilizacii_vechnomerzlyh.pdf (дата обращения: 22.11.2020).
4. Лазарев А.Н. Обоснование перспективности и анализ условий строительства заглубленных хранилищ сжиженного природного газа в условиях вечной мерзлоты / А.Н. Лазарев, Н.Г. Кириллов, С.В. Ивановский // «Метро и тоннели». – 2015. - №6. - С. 16 – 20.
5. Ханухов Х.М. Конструкционные методы снижения риска при эксплуатации изотермических резервуаров для хранения СПГ / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов, Н.В. Четвертухин, А.В. Коломыцев и др. // Вести газовой науки. – 2017. - № 1(29). – С. 249 – 258.
6. ГОСТ Р 58027-2017/EN 14620-1:2006. Проектирование и производство на месте вертикальных цилиндрических стальных емкостей с плоским дном для хранения охлажденных сжиженных газов с рабочей температурой от 0 °С до -165 °С. Часть 1. Общие положения. - Введ. 2022-01-01. - М.: Стандартинформ, 2018. - 30 с.
7. ГОСТ Р 57431— 2017. Газ природный сжиженный. – Введ. 2018-01-01. – М.: Стандартинформ, 2018. - 30 с.
8. Михеев М. А. Основы теплопередачи. / М. А. Михеев, И. М. Михеева - Изд. 2-е, стереотип. - М., «Энергия», 1977 - 344 с.
9. Коршак А.А. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов: учебное издание / А. А. Коршак - СПб.: «Недра», 2008. – 488 с.
10. Павлов К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков - Л.: Химия, 1987.- 576 с.
11. РД 39-30-139-79. Методика теплового и гидравлического расчета магистральных трубопроводов при стационарных и нестационарных режимах перекачки ньютоновских и неньютоновских нефтей в различных климатических условиях. - Введ. 1979-04-25. – Уфа, 1979 г. - 57 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Voronov V.A. Analiz tehnicheskih reshenij v oblasti transporta i hranenija szhizhennogo prirodnogo gaza [Analysis of technical solutions in transport and storage of liquefied natural gas] / V.A. Voronov, E.D. Karjakina, Je.V. Ahmerov // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii holoda [Journal of International Academy of Refrigeration]. - 2019. - № 3. - P. 15–22. DOI: 10.17586/1606‑4313‑2019‑18‑3-15-22. [in Russian]
2. Tehnologija termostabilizacii gruntov [Soil thermal stabilization technology] [Electronic resource]. // Oficial'nyj sajt kompanii programmnogo kompleksa Frost 3D Universal [Official website of the Frost 3D Universal software package company]. – 2020. – URL: https://frost3d.ru/termostabilizatsiya-gruntov/ (accessed: 22.11.2020). [in Russian]
3. Sistemy temperaturnoj stabilizacii vechnomerzlyh gruntov. Zhurnal tehnicheskih reshenij [Temperature stabilization systems for permafrost. Journal of technical solutions.] [Electronic resource]. // Oficial'nyj sajt kompanii OOO NPO «Fundamentstrojarkos» [Official website of the company LLC NPO "Fundamentstroyarkos"]. – 2020. – URL: https://clck.ru/TD5PJ (accessed: 22.11.2020). [in Russian]
4. Lazarev A.N. Obosnovanie perspektivnosti i analiz uslovij stroitel'stva zaglublennyh hranilishh szhizhennogo prirodnogo gaza v uslovijah vechnoj merzloty [Substantiation of the prospects and analysis of the conditions for the construction of buried storage facilities of liquefied natural gas in permafrost conditions] / A.N. Lazarev, N.G. Kirillov, S.V. Ivanovskij // Metro i tonneli. [Metro and Tunnels]. – 2015. - №6. - P. 16 – 20. [in Russian]
5. Hanuhov H.M. Konstrukcionnye metody snizhenija riska pri jekspluatacii izotermicheskih rezervuarov dlja hranenija SPG [Constructional methods of risk reduction at operation of isothermal reservoirs for storage of liquefied natural gas] / H.M. Hanuhov, A.V. Alipov, N.V. Chetvertuhin, A.V. Kolomycev and others // Vesti gazovoj nauki [Lead Gas Science] – 2017. - № 1(29). – P. 249 – 258. [in Russian]
6. GOST R 57431— 2017. Gaz prirodnyj szhizhennyj [Liquefied natural gas. General characteristics] – Effective 2018-01-01. – M.: Standartinform, 2018. - 30 p. [in Russian]
7. GOST R 58027-2017/EN 14620-1:2006. Proektirovanie i proizvodstvo na meste vertikal'nyh cilindricheskih stal'nyh emkostej s ploskim dnom dlja hranenija ohlazhdennyh szhizhennyh gazov s rabochej temperaturoj ot 0 °C do -165 °C. Chast' 1. Obshhie polozhenija [Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical, flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0°C and -165°C. Part 1. General] - Effective 2022-01-01. - M.: Standartinform, 2018. - 30 p. [in Russian]
8. Miheev M. A. Osnovy teploperedachi. [Heat Transfer Basics.] / M. A. Miheev, I. M. Miheeva – 2nd edition, reprint. - M., «Jenergija», 1977 - 344 p. [in Russian]
9. Korshak A.A. Proektirovanie i jekspluatacija gazonefteprovodov: uchebnoe izdanie [Design and operation of gas and oil pipelines: educational publication] / A. A. Korshak - SPb.: «Nedra», 2008. – 488 p. [in Russian]
10. Pavlov K. F. Primery i zadachi po kursu processov i apparatov himicheskoj tehnologii. Uchebnoe posobie dlja vuzov [Examples and tasks for the course of processes and devices of chemical technology. Manual for universities.] / K. F. Pavlov, P. G. Romankov, A. A. Noskov - L.: Himija, 1987.- 576 p. [in Russian]
11. RD 39-30-139-79. Metodika teplovogo i gidravlicheskogo rascheta magistral'nyh truboprovodov pri stacionarnyh i nestacionarnyh rezhimah perekachki n'jutonovskih i nen'jutonovskih neftej v razlichnyh klimaticheskih uslovijah [The method of thermal and hydraulic calculation of main pipelines in stationary and non-stationary modes of pumping Newtonian and non-Newtonian oils in various climatic conditions.] - Effective 1979-04-25. – Ufa, 1979 g. - 57 p. [in Russian].