Системы снабжения сжиженным углеводородным газом от индивидуальных резервуарных установок

В настоящее время на территории Российской Федерации имеется значительное количество регионов и областей, не имеющих природного сетевого газа: Алтайский и Красноярский края, Читинская, Амурская и Омская области, республики Карелия и Бурятия и т.д. В значительной степени сложившаяся ситуация обусловлена удаленностью этих регионов от газовых месторождений и магистральных газопроводов, отсутствием крупных промышленных центров и малой плотностью населения. Аналогичная ситуация сохраняется и на обозримую перспективу. Отсутствие сетевого газа и невозможность прокладки магистральных газопроводов в перспективе, предопределяют широкое развитие в этих регионах альтернативных сервисных источников топливно-энергетических ресурсов на базе сжиженного углеводородного газа (СУГ). Применение сжиженного углеводородного газа в качестве энергоносителя для технологических установок, а также бытовых и хозяйственных нужд, в полной мере отвечает социальным, эколо гическим и санитарно-гигиеническим требованиям потребителей.

В существующей практике снабжения потребителей сжиженным газом широкое распространение получили индивидуальные газобаллонные установки.

Низкая производительность указанных установок в сочетании с небольшим запасом газа у потребителя покрывает потребление газа только на пищеприготовление [1]. В то время как более энергоемкие процессы (горячее водоснабжение и отопление зданий) обеспечиваются за счет использования жидкого и твердого топлива.

Повышение благосостояния населения и комфортности квартир требует дальнейшего совершенствования инженерной инфраструктуры поселков, более полного обеспечения населения прогрессивными энергоносителями и, в первую очередь, газовым топливом.

В этой связи актуальным направлением развития поселковых систем газоснабжения на базе

СУГ является использование индивидуальных резервуарных установок сжиженного газа [2].

Эффективность и надежность систем снабжения сжиженным газом от индивидуальных резервуарных установок в значительной степени определяется правильным выбором способа установки резервуаров (наземная или подземная). Наземная установка резервуаров по сравнению с подземной имеет следующие основные преимущества:

• -    меньшие капитальные вложения;

• -    отсутствие антикоррозийной изоляции и электрохимической защиты;

• -    удобство обслуживания и ремонта;

• -    большой срок службы резервуаров.

Однако наземное расположение резервуаров имеет и ряд существенных недостатков, главными из которых являются:

• -    повышенная пожаро- и взрывоопасность;

• -    необходимость в дополнительных площадях за счет увеличения противопожарных разрывов между резервуарами и зданиями (сооружениями);

• -    сложность эксплуатации в зимних условиях, особенно при наличии газа с высоким содержанием бутановых фракций. Надежная работа резервуарных установок в этот период требует применения специального оборудования и теплоносителя для регазификации СУГ, сложной автоматики регулирования и безопасности. Это обстоятельство повышает стоимость сооружения и эксплуатации источников снабжения сжиженным газом и экономически оправдано только в крупных системах централизованного газоснабжения.

Наземные резервуары сжиженного газа с естественной регазификацией СУГ за счет теплоты атмосферного воздуха широко используются в США, Англии, Франции, Германии, Японии и других странах. Это в значительной степени объясняется благоприятными климатическими условиями эксплуатации резервуарных установок [3, 4]. В то же время, в большинстве климатических районов России температура холодных суток составляет -30...-35 °C и ниже. При этих температурах наземные резервуарные установки не гарантируют надежное газоснабжение даже при минимальной обеспеченности газопотребления [5]. Поэтому наземные резервуарные установки с естественной регазификацией СУГ могут использоваться только в качестве источника газоснабжения потребителей сезонного характера - объектов сельскохозяйственного производства, летних туристических баз и оздоровительных лагерей, дачных поселков и др.

Применение резервуарных установок с подземным расположением емкостей обеспечивает надежное газоснабжение потребителей во всех климатических зонах страны. Даже при минимальных температурах окружающего грунта (-510 °C) резервуары обеспечивают устойчивую подачу газа потребителям при остаточном уровне заполнения 25-50 % [5].

В современной практике снабжения городских и сельских населенных пунктов сжиженным газом используются горизонтальные цилиндрические резервуары объемом 2,5 и 5,0 м3. Сооружение подземных резервуарных установок с горизонтальным размещением емкостей требует выполнения комплекса трудоемких работ и больших капиталовложений. Характерной особенностью традиционной технологии монтажа резервуарных установок является необходимость полной обратной засыпки котлована песчаным грунтом и вывоза в отвал грунта, вынутого из котлована. Наличие песчаного слоя исключает повреждение антикоррозийной изоляции резервуаров в процессе обратной засыпки котлована и предупреждает пучини-стые явления при промерзании грунта. Вместе с тем, высокая стоимость доставки песка в сочетании с большими объемами обратной песчаной засыпки обусловливает значительный перерасход материальных и денежных средств.

Существенное снижение трудовых, материальных и денежных затрат обеспечивает вертикальная установка резервуаров в грунте. Кафедрой ТГС СГТУ разработаны технические решения вертикальных подземных резервуаров сжиженного газа с применением специальной технологии земляных работ с использованием подвижной металлической опалубки [6].

Конструкция опалубки гарантирует необходимый защитный слой вокруг резервуаров толщиной не менее 0,2 м (типовой песчаный слой, применяемый в отечественной и зарубежной практике сооружения свай, сосудов и труб в пучинистых сезоннопромерзающих грунтах). Разработанная технология снижает потребность в песке и исключает вывоз грунта в отвал (см. рисунок).

Схема резервуарной установки сжиженного углеводородного газа с подземным вертикальным резервуаром: 1 - резервуар; 2 - изоляция; 3 - фундамет; 4 - котлован; 5 - ограждение резервуарной установки; 6 - песок; 7 - отсыпка грунта; 8 - отчуждаемая территория; 9 - опалубка

Курицын Б.Н., Осипова Н.Н., Смирнова Л.В.

Для оценки сравнительной эффективности применения резервуарных установок с новой технологией строительно-монтажных работ было проведено сравнение двух конкурирующих вариантов. В качестве базового варианта для сравнения принят подземный горизонтальный резервуар РПГ-2,5 (объемом 2,5 м3) с выполнением строительно-монтажных работ по традиционной технологии. В качестве альтернативного варианта - подземный вертикальный резервуар РПВ-2,3 (объемом 2,3 м3) с выполнением строительно-монтажных работ по новой технологии (табл.1).

Анализ табл. 1 показывает, что применение вертикальных подземных резервуаров с учетом новой технологии строительно-монтажных работ обусловливает высокий экономический эффект по сравнению с горизонтальными. При этом обеспечивается:

• -    сокращение объема земляных работ на 12,3 %;

• -    экономия отчуждаемой площади на 21,3 %;

• - снижение капвложений в резервуар с защитным покрытием на 34,7 %;

• -    снижение капвложений в засыпку котлована песком на 87,8 % и т. д.

В целях максимальной адаптации предложенных технических решений к конкретным условиям газовой практики сотрудниками кафедры ТГС СГТУ разработан оптимальный типоряд подземных вертикальных резервуаров сжиженного газа, включающий в себя б типоразмеров объемом от 1,3 до 4,7 м3 (табл. 2) [7].

Выбор оптимального объема подземного резервуара сжиженного газа Гр и остаточного уровня заполнения резервуара газом перед очередной заправкой ф для конкретного потребителя следует проводить в зависимости от объема его годового и часового газопотребления [5].

Объем годового (часового) потребления газа жилыми домами зависит от многочисленных факторов, среди которых к определяющим относятся:

• -    направления использования газа в квартирных условиях (пищеприготовление, горячее водоснабжение, отопление зданий);

• -    газовое оборудование зданий и режимы его эксплуатации;

Таблица 1

Сравнительная эффективность подземных резервуарных установок сжиженного газа         ■

Технические характеристики и параметры	Резервуар РПГ-2,5	Резервуар РПВ-2,3
Геометрические размеры резервуара, м: - длина - диаметр	3,3 1,0	2,1 1,2
Геометрический объем установки, м3	2,5	2,3
Общая металлоемкость резервуара, кг	910	758
Снижение металлоемкости резервуара, %	—	16,7
Расход защитного покрытия, м3	0,32	0,28
Экономия защитного покрытия, %	—	12,5
Объем земляных работ по отрывке котлована, м3	32,5	28,5
Уменьшение объема земляных работ, %	—	12,3
Объем грунта, вывозимого в отвал, м3	30,5	—
Расход песка средней зернистости для обратной засыпки котлована, м3	32,5	4,0
Снижение расхода песка, %	—	87,7
Площадь территории, отчуждаемой под размещение резервуара, м2	16,0	12,6
Экономия отчуждаемой площади, %		21,3
Протяженность ограждения резервуарной установки, м	11,3	10,4
Снижение длины ограждения, %	—	8,0
Капвложения в резервуар с защитным покрытием и фундаментом, тыс. руб.	40,47	35,9
Снижение капвложений в резервуар с защитным покрытием и фундаментом, %	-	11,3
Капвложения в засыпку котлована песком, тыс. руб.	56,5	6,84
Снижение капвложений в засыпку песком, %	—	87,8
Стоимость отчуждаемой территории, тыс. руб.	3,4	2,68
Снижение стоимости отчуждаемой территории, %		21,1
Капвложения в ограждение, тыс. руб.	1,81	1,51
Снижение капвложений в ограждение, %	—	16,4
Общие капвложения в резервуарную установку, тыс. руб.	51,9	33,9
Снижение капвложений в резервуарную установку, %	—	34,7

Примечание. Стоимостные характеристики приведены в ценах на 1.01.09.

Таблица 2

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
Геометрический объем резервуара V», м3	1,3	1,7	2,3	3,0	3,8	4,7
Полезный объем резервуара Го при 85 % заполнении, м3	1,1	1,45	1,96	2,55	3,23	4,0
Внутренний диаметр корпуса d, мм	900	1000	1200	1400	1600	1800
Толщина стенки 5 : а) корпуса (обечайки), мм б) днищ, мм	6 6	6 6	6 8	6 8	8 10	8 10
Длина резервуара (по эллиптическим днищам) /, мм	2100	2100	2100	2100	2100	2100
Формфактор резервуара Ф=1/d	2,33	2,10	1,75	1,50	1,31	1,17

• -    наличие или отсутствие нагрузки на отопительные нужды, которую определяют: жилая площадь здания; характеристики ограждающих конструкций здания и степень их теплозащиты; климатические условия эксплуатации зданий и пр.

В целях учета влияния указанных факторов на величину годового (часового) газопотребления были проведены соответствующие исследования. В качестве объектов газоснабжения приняты два типа жилых зданий:

• -    усадебные с жилой площадью F=81 м²;

• -    коттеджные с жилой площадью FH62 м².

Ограждающие конструкции здания приняты с повышенным уровнем теплозащиты в соответствии с рекомендациями [8]. В качестве газоиспользующих установок приняты: газовые плиты, газовые проточные водонагреватели, газовые отопительные котлы и газовые отопительные печи.

Эксплуатация газовых отопительных печей предусмотрена в двух вариантах: в условиях периодического натопа; в условиях непрерывного горения.

Влияние климатических условий учитывалось варьированием расчетов по двум климатическим зонам эксплуатации зданий: умеренно-теплая зона (г. Краснодар) и холодная зона (г. Екатеринбург).

Таблица 3

К выбору технических характеристик подземных резервуаров сжиженного газа

Характеристика объекта газоснабжения	Максимальный часовой расход газа р-час кг/tj	В том числе на отопление, о max, от ’	Годовой расход газа, 5год > кг/г°Д	Рекомендуемый объем резервуара, Гр, М3	Рекомендуемый остаточный уровень газа в резервуаре перед очередной заправкой, ср, %
Усадебные здания: газовые плиты	0,7	-	240	1,3	24
Усадебные здания: плиты и водонагреватели	2,24	-	626	1,3	55
Усадебные здания: газовые плиты и печи (котлы) непрерывного действия	1,31 1,17	0,61 0,47	1525 726	2,3 1,3	55 28
Усадебные здания: газовые плиты, газовые печи периодического действия	5,53 4,48	4,83 3,78	2013 974	2,3 1,3	54 46
Коттеджные здания: газовые плиты, водонагреватели и газовые отопительные котлы	3,29 3,04	1,05 0,8	2625 1237	3,0 1,7	57 32

Примечание. В числителе холодная климатическая зона; в знаменателе - умеренно-теплая климатическая зона.

Курицын Б.Н., Осипова Н.Н., Смирнова Л.В.

Результаты соответствующих расчетов приводятся в табл. 3.

Как видно из табл. 3, оптимальный геометрический объем индивидуальной резервуарной установки изменяется в широких пределах: от 1,3 м3 для усадебных зданий, оборудованных газовыми плитами и водонагревателями (при эксплуатации в любой климатической зоне), до 3,0 м3 для коттеджных зданий, оборудованных газовыми плитами, водонагревателями и отопительными котлами (при эксплуатации в холодной климатической зоне), а также для усадебных зданий, оборудованных газовыми плитами и отопительными печами периодического действия (при эксплуатации в холодной климатической зоне).

В равной степени указанное обстоятельство относится и к остаточному уровню заполнения резервуара сжиженным газом, который меняется в указанных условиях от 24 до 57 %.

Внедрение рекомендаций по выбору оптимального типоразмера резервуарной установки и ее эксплуатационных параметров повышает экономичность источников децентрализованного газоснабжения, способствует совершенствованию проектной и эксплуатационной практики газификации потребителей сжиженным газом.