Сравнение эффективности работы установок СПМГ и охлаждающей системы ГЕТ на примере температурной стабилизации грунтов основания резервуара нефти (С.А. Бекирова, Е.А. Посконина, ООО НПО «Фундаментстройаркос»)
В данной статье рассматриваются результаты сравнительного прогнозного расчета температурного режима грунтов основания резервуара нефти при работе следующих охлаждающих систем и установок: стабилизаторов пластично-мерзлых грунтов (СПМГ); СПМГ с подключением холодильных машин в летние периоды; системы ГЕТ.
Целью данной работы являлось выполнение сравнительного прогнозного расчета температурного режима грунтов основания резервуара нефти при работе:
√ охлаждающих установок СПМГ производства ОАО «Фундаментпроект»;
√ охлаждающих установок СПМГ с подключением в летнее время холодильных машин (ХМ), обеспечивающих температуру в испарительной части СПМГ минус 7 ºС;
√ охлаждающей системы ГЕТ производства ООО НПО «Фундаментстройаркос».
В качестве сооружения принят резервуар нефти объемом 50000 м3 с температурой нефти +60 ºС. Под резервуаром предусмотрена укладка теплоизоляционного экрана из Пеноплэкса (коэффициент теплопроводности λ = 0,033 Вт/м•ºС) толщиной 400 мм.
Грунты основания резервуара используются по I принципу (СНиП 2.02.04-88). Для передачи полной нагрузки на основание резервуара необходимо обеспечить твердомерзлое состояние грунтовой толщи без оттаивания грунтов под теплоизоляцией.
Температура наружного воздуха, скорость ветра и высота снежного покрова были приняты на основании материалов наблюдений по метеостанции Варандей. Среднегодовая температура воздуха составляет минус 5,6 ºС. Среднемесячная температура самого холодного месяца (февраля) равна минус 19,2 ºС, самого теплого (июля) – плюс 8,9 ºС.
Для прогнозных расчетов приняты следующие инженерно-геологические условия. Температура грунтов на глубине нулевых амплитуд (Т0) составляет минус 0,2 ºС. Грунты засолены. В разрезе выделены следующие грунты:
√ песок желтовато-серый, с глубины 0,6 м светло-серый, серый, мелкий, в интервале 4,8-5,2 м – прослой песка пылеватого, с тонкими прослойками черного суглинка, до глубины 1,4 м с редкими линзами торфа (0-5,7 м);
√ суглинок темно-зеленовато-серый с примесью органических веществ, с прослойками песка мощностью 2-3 см, талый, текучепластичный, Dsal=0,34 %, Tbf=-1,02 ºС (5,7-6,8 м);
√ супесь темно-серая, с тонкими прослойками черного суглинка, талая, пластичная Tbf=- 0,1 ºС (6,8-7,6 м);
√ песок серый, мелкий, насыщенный водой (7,6-12,4 м);
√ супесь серая, охлажденная, текучая, Dsal=0,40 %, Tbf=-1,65 ºС (12,4-13,1 м);
√ суглинок темно-серый, с включениями гравия и гальки до 1-3 %, с редкими прослойками пылеватого песка мощностью до 1-3 см, Dsal=1,03 %, Tbf=- 3,2 ºС (ниже 13,1 м).
Мощность насыпного грунта, учтенного в прогнозном расчете, составляет 2 м.
Прогноз температурного режима грунтов основания выполнен по специальной программе “FROST (DK)” (сертификат соответствия № 06.0001.0314 от 22 февраля 2010 г.), разработанной д. т. н. Дубиной М.М. и д. ф.-м. н. Кашеваровым А. А. в Сибирском отделении РАН, в соответствие с РСН 67-87 «Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза измерений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами».
На верхней границе выбранных расчетных областей задавались граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова за пределами резервуара. На нижней границе расчетных областей принята постоянная температура грунта, равная минус 0,2 ºС. На боковых границах расчетных областей – граничные условия второго рода, тепловой поток отсутствует.
По первому варианту для замораживания грунтов и сохранения их в твердомерзлом состоянии применены стабилизаторы пластично-мерзлых грунтов (СПМГ), представляющие собой слабонаклонные испарители с уклоном i=0,016. СПМГ являются сезоннодействующими охлаждающими устройствами. Они работают при температуре наружного воздуха минус 7 ºС и ниже (с 1 ноября по 20 апреля). Глубина заложения труб 1,0-1,5 м от низа теплоизоляции. Длина подземной части СПМГ составляет 24, 32 и 40 м, площадь конденсатора – 6,5 м2, диаметр испарителя – 76 мм. Трубы СПМГ расположены с шагом 1 м, в области пересечения (центральная часть резервуара) – 0,5 м. Схема расположения СПМГ представлена на рисунке 1.
Согласно прогнозному расчету, на конец первого летнего периода работы СПМГ грунты в твердомерзлом состоянии образуются только под центром резервуара (на участке пересечения СПМГ, где шаг труб равен 0,5 м). Мощность твердомерзлых грунтов составляет 2,3 м (рисунок 3). Глубина оттаивания под теплоизоляцией – 0,7 м. На конец второго летнего периода мощность твердомерзлого основания равна 2,3 м – под краем резервуара и 3,6 м – под центром резервуара, глубина оттаивания под теплоизоляцией уменьшается до 0,3 м. На конец третьего летнего периода мощность твердомерзлого основания достигает 3,6 м – под краем и 5,0 м – под центром резервуара. Глубина оттаивания под теплоизоляцией составляет 0,2 м. Температура грунта к концу первого летнего периода на отметке укладки труб равна минус 0,4 ºС под центром резервуара (рисунок 4), минус 0,2 ºС – под краем (рисунок 5). При дальнейшей работе охлаждающих устройств температура понижается.
Таким образом, при использовании в качестве охлаждающих установок СПМГ, передавать полную проектную нагрузку на основание можно только на третий год работы установок, так как при более раннем нагружении могут развиться осадки, и, как следствие, деформации резервуара.
Рисунок 1. Схема расположения СПМГ
Для передачи полной проектной нагрузки на основание в первый год «Фундаментпроектом» предусмотрено подключение к каждому СПМГ в летний период холодильной машины (ХМ), обеспечивающей температуру в испарительной части СПМГ минус 7 ºС (всего 131 ХМ). Холодильные машины работают с 20 апреля по 1 ноября.
Согласно прогнозному расчету, на конец первого летнего периода работы СПМГ совместно с холодильными машинами толщина твердомерзлого массива в основании резервуара равна 2,9 м – под краем резервуара и 3,9 м – под центром резервуара, оттаивания под теплоизоляцией не происходит. На конец второго летнего периода мощность твердомерзлого основания равна 4,7 м – под краем резервуара и 5,7 м – под центром, на конец третьего летнего периода 5,7 м – под краем резервуара и 6,7 м – под центром.
Таким образом, при работе СПМГ с подключением холодильных машин в летний период возможна передача полной нагрузки уже в первый расчетный год.
В последующем возможно отключение холодильных машин, при условии отсутствия оттаивания под теплоизоляцией и достаточной для передачи полной нагрузки толщине твердомерзлого основания.
Для сравнения был выполнен прогноз температурного режима грунтов основания резервуара при работе системы ГЕТ (горизонтальной естественнодействующей трубчатой). Она начинает работать при температуре наружного воздуха минус 3 ºС. Система ГЕТ представляет собой герметичную неразъемную конструкцию из труб, заправленных хладагентом, и состоящую из надземной части (конденсаторного блока воздушного охлаждения) и подземной, представленной горизонтальными охлаждающими трубами. Система работает c 1 октября по 17 мая.
Трубы системы ГЕТ установлены с шагом 0,5 м, глубина заложения труб 1,5 м от низа теплоизоляции. Схема расположения ГЕТ представлена на рисунке 2.
Результаты расчета работы системы ГЕТ показывают, что к концу первого зимнего периода грунты основания находятся в твердомерзлом состоянии, которое сохраняется к концу первого лета. Мощность твердомерзлых грунтов к концу первого летнего периода одинакова в пределах всего основания резервуара и составляет 2,5 м (рисунок 3). Глубина оттаивания под теплоизоляцией незначительна. Температура грунта на отметке укладки труб (как под центром, так и под краем резервуара) равна минус 0,4 ºС (рисунки 4 и 5). При дальнейшей работе охлаждающей системы ГЕТ температура грунтов понижается, что свидетельствует о стабильном твердомерзлом состоянии грунтов основания резервуара. К концу второго летнего периода мощность твердомерзлого основания составляет 4,0 м, к концу третьего – 5,3 м (значения одинаковы в пределах всего основания резервуара). Таким образом, уже на второй год работы системы ГЕТ возможна передача полной проектной нагрузки на основание.
Сопоставляя графики на конец летних периодов работы ГЕТ и СПМГ (без подключения холодильных машин), можно сделать вывод, что при одинаковом шаге 0,5 м ГЕТ и СПМГ (в центральной части резервуара, где шаг равен 0,5 м) работают практически сопоставимо.
Сравнительные графики мощности твердомерзлого основания под центром резервуара (где шаг СПМГ равен 0,5 м) на различные периоды времени представлены на рисунке 3. Графики зависимости температуры грунта на уровне заложения труб от времени при работе рассмотренных охлаждающих систем представлены на рисунках 4 и 5.
Рисунок 2. Схема расположения системы ГЕТ
Рисунок 3. Мощность твердомерзлых грунтов под центром резервуара
Рисунок 4. Температура грунта на уровне заложения труб под центром резервуара
Рисунок 5. Температура грунта на уровне заложения труб под краем резервуара
Основные технико-экономические показатели СПМГ и системы ГЕТ сведены в таблицу 1.
Из данной таблицы видно, что для СПМГ в качестве хладагента применяется фреон-22 стоимостью 500 тыс. руб. за 1 т, что в 83 раза больше, чем стоимость аммиака, используемого в системе ГЕТ. Расход хладагента для системы ГЕТ в 1,8 раза меньше, чем для СПМГ.
Общая площадь оребрения конденсаторов СПМГ составила 1291,7 м2, что в 1,9 раза меньше, чем общая площадь оребрения конденсаторных блоков системы ГЕТ.
Длина испарительных труб для СПМГ примерно в 2 раза меньше, чем для системы ГЕТ.
К каждому СПМГ в летние периоды требуется подключение холодильной машины, общее количество которых составляет 131, суммарная мощность холодильных машин – 91,7 кВт/ч. Для работы системы ГЕТ не требуется электрическая энергия, т.к. по своей физической природе она является естественно-действующей.
Таблица 1. Технико-экономические показатели
Затраты строительного периода и эксплуатационные затраты за 30 лет сведены в таблицу 2. Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что суммарные затраты на монтаж и эксплуатацию СПМГ намного выше, чем для системы ГЕТ.
Значительные экономические затраты в эксплуатационный период СПМГ связаны прежде всего с большим расходом электроэнергии, потребляемой холодильными машинами в летний период времени, а также с необходимостью сервисного обслуживания большого количества холодильных машин.
Экономический эффект за 30-летний период эксплуатации резервуара нефти при использовании системы ГЕТ в сравнении с СПМГ составляет 200,2 млн. руб.
Таблица 2. Затраты строительного периода и эксплуатационные затраты за 30 лет
На основе произведенных расчетов и экономического сравнения СПМГ и системы ГЕТ можно сделать выводы об эффективности их применения для температурной стабилизации грунтов основания рассматриваемого сооружения:
√ установка СПМГ позволяет обеспечить твердомерзлое состояние грунтового основания резервуара без оттаивания грунтов под теплоизоляцией за счет естественного охлаждения зимой и искусственного охлаждения летом, а система ГЕТ только за счет естественного охлаждения в зимние периоды;
√ применение системы ГЕТ для данного сооружения по сравнению с СПМГ более эффективно с точки зрения надежности, экономичности, удобства монтажа и эксплуатации.
Литература
1. СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах/Госстрой России.– М.: ГУП ЦПП, 2005.–52 с.
2. СНиП 23-01-99* Строительная климатология/Госстрой России.– М., 2006.
3. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий / Госстрой России.– М., 2004.
4. СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты зданий/Госстрой России.– М., 2004.
5. РСН 67-87 Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза измерений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами/Госстрой РСФСР.– М., 1988.
6. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах/НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР– М.: Стройиздат, 1980.–303 с.
7. ТУ 3642-004-54098700-2006 Системы и установки криогенные/ООО НПО «Фундаментстройаркос». Тюмень, 2006.