Компьютерное моделирование тепломассопереноса в грунтах под сооружениями, построенными на вечной мерзлоте с использованием сезонных охлаждающих устройств

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Освоение природных ресурсов Арктики и приполярных регионов сопровождается масштабным строительством в условиях вечномерзлых грунтов. Для укрепления оснований зданий и сооружений, построенных на вечной мерзлоте, используется метод замораживания грунтов под этими основаниями. Замораживание грунтов производится либо с помощью холодильных машин, либо с помощью сезонных охлаждающих устройств (СОУ), не требующих затрат электрической энергии. Использование СОУ не только позволяет экономить электрическую энергию, но и производить охлаждение грунтов в районах, где электричество не доступно, например, на нефтепроводах и газопроводах. При этом для замораживания больших площадей используются горизонтальные естественнодействующие трубчатые системы (ГЕТ), разработанные в ООО НПО «Фундаментстройаркос», они подробно описаны в главе 1. Прогнозированию работы именно этих систем и посвящена данная диссертация.

Цель и задачи работы. Целью работы является проведение теоретических исследований процессов теплообмена в сложной инженерной системе «грунт - ГЕТ - сооружение, построенное на вечной мерзлоте», которые учитывали бы стохастичность таких параметров задачи, как скорость ветра, температура воздуха и толщина снежного покрова.

Для достижения цели решены следующие задачи:

1. Создана программа «Stohastic - 3D», позволяющая моделировать работу СОУ под зданиями и сооружениями.

2. Решена задача Стефана с учетом случайных изменений метеорологических характеристик.

3. Стохастическими методами с использованием метеорологических данных и технических параметров СОУ вычислена вероятность нахождения грунта в талом состоянии, в произвольной точке расчетной области.

4. Рассчитаны температурные поля под пожарным депо на Ванкорском месторождении, под нефтяным резервуаром на Уренгойском месторождении и под резервуаром с нефтью на Варандейском месторождении.

Научная новизна.

1. Создана методика расчета, позволяющая рассчитать теплообмен между системой ГЕТ и грунтом, а также теплообмен между грунтом, атмосферой и сооружением, построенном на вечной мерзлоте.

2. Предложен метод стохастического прогнозирования состояния грунтов, органично сочетающий в себе детерминистский подход математической физики с методами математической статистики. Однако, в отличие от стандартной статистики объектами изучения в данном случае являются не случайные величины, а трехмерные температурные поля. Важно, что они к тому же удовлетворяют условиям решения задачи Стефана. Метод стохастического прогнозирования позволяет получить одновременно большое количество 3D температурных полей, с учетом всех возможных вариантов изменения во времени скорости ветра, температуры воздуха и толщины снежного покрова. Полученная совокупность 3D температурных полей, позволяет вычислить в каждой точке пространства вероятность нахождения грунта в талом или мерзлом состоянии и оценить эффективность проектируемой системы ГЕТ.

Достоверность. В диссертационной работе проведено сравнение теоретических данных с показаниями термометрических датчиков на конкретных объектах. Среднеквадратичное отклонение теоретических данных от экспериментальных в большинстве случаев меньше 1.5?С и, как правило, по порядку величины совпадают с точностью измерения температуры в термометрических скважинах, что говорит о хорошей достоверности полученных результатов.

Практическая ценность. Разработанный метод расчета позволяет с достаточной точностью прогнозировать динамику изменения температурных полей в грунтах с применением систем ГЕТ и может быть использован при проектировании объектов, охлаждаемых СОУ. Данный метод был использован при расчете конкретных объектов совместно с ООО НПО «Фундаменстройаркос».

Защищаемые положения:

- Разработана методика расчета, позволяющая рассчитать теплообмен между системой ГЕТ и грунтом, а также теплообмен между грунтом, атмосферой и сооружением, построенном на вечной мерзлоте.

- Предложен метод стохастического прогнозирования состояния грунтов под объектами, охлаждаемыми СОУ.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 154 страницах, включает 108 рисунков и 40 таблиц. Список литературы содержит 108 наименований.

Во введении показана актуальность темы, рассмотренной в диссертации, сформулирована цель, отмечены научная новизна, а также практическая ценность работы, кратко изложена структура диссертации.

В первой главе выполнен обзор литературы, связанной с решением нелинейной задачи Стефана, а также рассматривается классификация сезонных охлаждающих устройств.

Вторая глава посвящена численному расчету нестационарных температурных полей и динамике работы систем охлаждения грунта на примере конкретных объектов, построенных на вечной мерзлоте.

В третьей главе проведено стохастическое прогнозирование состояния грунтов под объектами, охлаждаемыми СОУ.

В заключении представлены основные результаты и выводы работы.

Апробация работы. Результаты, приведённые в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

§ Х международная конференция по мерзлотоведению TICOP «Ресурсы и риски регионов с вечной мерзлотой в меняющемся мире», Салехард, 2012;

§ Международная научно-практическая конференция по инженерному мерзлотоведению, посвященная ХХ-летию ООО НПО «Фундаментстройаркос», Тюмень, 2011;

§ Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов, посвященная ХХ-летию создания ООО НПО «Фундаментстройаркос» «Стратегия инновационного развития, строительства и освоения районов Крайнего севера», Тюмень, 2011.

1. Литературный обзор и постановка задачи

1.1 Сезоннодействующие охлаждающие устройства

Природные богатства северных и восточных районов России приобретают все большее значение, поэтому перспективные планы экономического и социального развития страны предусматривают интенсивное освоение огромных малонаселенных пространств, лежащих к востоку от Урала, необжитых районов. Это порождает новые проблемы, часть которых связана со строительством инженерных сооружений на вечномерзлых грунтах в районах с суровыми климатическими условиями.

Районы распространения вечномерзлых грунтов занимают 65% России, поэтому разработка эффективных методов строительства в специфических условиях этих районов имеет очень важное значение.

Исследования вечной мерзлоты и прогнозы ее динамики проводились в работах таких авторов, как Мельников В.П., Хрусталев Л.Н., Горелик Я.Б., Вакулин А.А., Колунин В.С., Долгих Г.М., Окунев С.Н., Дубина М.М., Мусакаев Н.Г., Феклистов В.Н., Макаров В.И., Поденко Л.С. и многих других [1-16].

На предшествовавших этапах освоения Севера при проектировании и строительстве сооружений учитывалось взаимодействие только данного сооружения с вечномерзлым основанием. На современном этапе интенсивного строительства необходимо учитывать все возможные формы воздействия крупных комплексов на окружающую среду, в частности, на вечномерзлые породы.

Большое значение для современного строительства в северных условиях имеют унификация проектных решений, методов строительства и упрощение эксплуатации сооружений, построенных на вечномерзлых грунтах [2,3]. До последнего времени типовые решения для фундаментов зданий и сооружений практически не имели распространения, что объяснялось учетом индивидуальных особенностей и свойств основания. В настоящее время положение меняется - при массовом строительстве предусматривают не только сохранение мерзлотно - геологических условий, но и радикальное изменение этих условий таким образом, чтобы несущая способность оснований на разных площадках была унифицирована независимо от геологического строения этих площадок.

В районах распространения вечномерзлых грунтов осуществление такого принципа возможно благодаря тому, что основные инженерные свойства грунтов определяются их температурой. Таким образом, проблема унификации конструктивно-технологических решений северного строительства в значительной мере определяется эффективностью способов и средств, обеспечивающих поддержание заданного температурного режима грунтов в основании сооружений. Одним из наиболее эффективных средств охлаждения и замораживания грунтов являются сезонные охлаждающие устройства (СОУ). Имеется несколько видов СОУ, они активно применяются, совершенствуются и чрезвычайно многообразны. Все они являются термосифонами [5, 17-56], т.е. переносят тепло снизу-вверх за счет разности температур в верхней и нижней части. Классифицируют эти устройства по видам [8].

1) Первый вид: обычные индивидуальные термостабилизаторы [9]. Предназначены для замораживания талых и охлаждения пластичномерзлых грунтов под зданиями с проветриваемым подпольем и без него, эстакадами трубопроводов, опор мостов и акведуков, автомобильных и железнодорожных дорог, опор ЛЭП и другими сооружениями с целью повышения их несущей способности и предупреждения выпучивания свай [57].

Представляют собой герметичную неразъемную сварную конструкцию, заправленную хладагентом: углекислотой, фреоном или аммиаком. Общая длина термостабилизатора от 10 до 23 м. Глубина подземной части до 13 м. Высота наземной конденсаторной части с алюминиевым оребрением до 3 м. «СОУ - термостабилизаторы» устанавливаются в грунт вертикально, наклонно или слабонаклонно. Для предотвращения выпучивания свай «СОУ» устанавливаются под углом 10...15 град. к вертикали в непосредственной близости от нижнего конца сваи и имеют теплоизоляцию в зоне деятельного слоя грунта. Особенности конструкции - используются два способа изготовления «СОУ - термостабилизаторов»: - «СОУ - термостабилизаторы» заводской готовности, при этом общая длина изделия не превышает 14,5 м по условиям транспортировки; - сборные «СОУ - термостабилизаторы», монтируемые на месте из отдельных заводских заготовок, что позволяет замораживать с их помощью грунты оснований глубиной более 12 м в самых труднодоступных местах эксплуатируемых зданий и сооружений.

теплопроводность термостабилизатор сезоннодействующий нефтяной

Рис 1.1.1. Индивидуальный термостабилизатор

2) Второй вид СОУ - это горизонтальные естественно-действующие трубчатые системы «ГЕТ» (Рис.1.1.2), применяемые для крупных зданий с полами по грунту и резервуаров с опиранием на подсыпку.



Рис. 1.1.2. Система «ГЕТ»: 1-охлаждающие трубы; 2-теплоизоляция; 3-конденсаторный блок; 4-ускоритель циркуляции

Назначение - поддержание заданного температурного режима вечномерзлых грунтов и устранение непредвиденных тепловыделений под фундаментами различных сооружений (резервуаров объемом до 50000 м3, устьев газовых и нефтяных скважин, полигонов ТБО, парков химических реагентов и др.); зданий (газокомпрессорных и нефтеперекачивающих станций, промышленных зданий, жилых комплексов, зданий общественно-гражданского назначения); автомобильных дорог [58].

Особенностью системы является возможность осуществлять глубинное замораживание грунтов в самых недоступных местах или тех местах, где размещение надземных элементов нежелательно или невозможно, так как все охлаждающие элементы расположены ниже поверхности грунта, а конденсаторный блок может быть вынесен на удаление от сооружения до 70 м.

Система «ГЕТ» представляет собой герметично выполненное теплопередающее устройство с циркулирующим хладагентом (аммиаком или двуокисью углерода), не требующее затрат электроэнергии, автоматически действующее в зимнее время за счет силы тяжести и положительной разницы температур между грунтом и наружным воздухом.

Состоит из двух основных элементов: 1. охлаждающих труб - это размещенная в основании сооружения испарительная часть. Охлаждающие трубы служат для циркуляции теплоносителя и замораживания грунта. 2. конденсаторного блока, расположенного над поверхностью грунта и соединенного с испарительной частью. Предназначен для конденсации паров хладагента и перекачки его по системе за счет естественной конвекции и силы тяжести.

После завершения укладки в котловане охлаждающих труб производится их засыпка. Затем укладывается слой эффективной теплоизоляции и снова производится засыпка из непросадочного грунта. Надежное, замораживающее грунт, основание готово для строительства сооружения [59].

В охлаждающих трубах происходит перенос тепла грунта к хладагенту. Хладагент переходит из жидкой фазы в парообразную. Пар перемещается в сторону конденсаторного блока, где снова переходит в жидкую фазу, отдавая тепло через оребрение в атмосферу. Охлажденный и сконденсированный теплоноситель вновь стекает в испарительную систему и повторяет цикл движения.

Надежность и долговечность системы обеспечена оцинкованным покрытием стальных охлаждающих труб с усиленной антикоррозийной защитой и 100%-ым резервированием с применением полиэтиленовых труб. При необходимости замораживания грунтов в летнее время, полиэтиленовые трубы подключаются к серийно-выпускаемой холодильной машине.

3) Третий вид СОУ - это вертикальная естественно-действующая трубчатая система «BET» (Рис.1.1.3). Система «ВЕТ» отличается от системы «ГЕТ» тем, что состоит из размещенных в необходимых расчетных точках вертикальных охлаждающих труб (ТОВы), которые соединены соединительными трубами с конденсаторным блоком. Количество вертикальных труб в единичной системе - до 30 шт., глубиной 10-15 м.

Рис. 1.1.3. Система «ВЕТ»: 1-соединительные трубы; 2-теплоизоляция; 3-конденсаторный блок; 4-трубы охлаждающие вертикальные (ТОВ); 5-ускоритель циркуляции

4) Следующий вид СОУ - это глубинные СОУ (Рис.1.1.4).

Назначение - замораживание и температурная стабилизация грунтов плотин, устьев скважин и других сооружений глубиной до 100 м с целью обеспечения их эксплуатационной надежности.

Конструкция - сезоннодействующее охлаждающее устройство представляет собой герметичную неразъемную сварную конструкцию, заправленную хладагентом. Глубина подземной части более 13 м.

Особенности конструкции - разработаны и применяются следующие изделия, а именно:

Групповые «СОУ». Состоят из нескольких индивидуальных термостабилизаторов, каждый из которых замораживает свои горизонты. Опробованы две разновидности групповых «СОУ»: полной заводской готовности с полиэтиленовой вставкой и общей глубиной замораживания до 50 м. (плотина на реке Ирелях, район г. Мирного); цельнометаллические с полевым монтажом и общей глубиной замораживания до 16 м, теплоноситель - аммиак (хвостохранилище, п. Нюрба).

Одиночные «СОУ». Такие «СОУ» имеют диаметр подземной части 57 и 89 мм, специальное внутреннее устройство, заполненное парожидкостным теплоносителем - двуокисью углерода на всю глубину промораживания, монтируются и заправляются на объекте. Изделия опробованы на Иреляхской плотине с глубиной погружения 40, 50 и 80 м, и на мерзлотном полигоне глубиной до 100 м.

Коллекторные «СОУ». Данные «СОУ» с помощью коллектора соединены с аппаратом воздушного охлаждения, в котором обдув оребренных труб производится при помощи вентиляторов.

Принудительный обдув воздуха оребренных труб позволяет в самые морозные безветренные периоды значительно увеличить теплообмен и получить температуру замораживающих труб практически равную температуре наружного воздуха. Такая система предназначена для интенсивного первоначального промораживания и дальнейшего экономичного поддержания полученной мерзлой зоны грунта.

Идеальным теплоносителем для глубинных «СОУ» является углекислота, она заполняет всю промораживаемую высоту «СОУ», а интенсивная циркуляция теплоносителя обеспечивается применением специальных внутренних устройств.

Коллекторные «СОУ» с аппаратом воздушного охлаждения имеют место применения, как например, в Якутии, с характерным для этого региона безветрием.



Рис. 1.1.4. Глубинные углекислотные СОУ

На основе этих разработок впервые в промышленных масштабах осуществлено применение термосифонов в фундаментостроении и гидротехнике. Теоретический анализ работы СОУ был проведен в работах [7,60,61].

1.2 Задача Стефана

В работе [14] для прогноза температурного режима вечномерзлого грунта использовался численный метод - метод конечных разностей, который реализован компьютерной программой «WARM», разработанной на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ [62].

В диссертации производится моделирование состояния грунтов под сооружениями на вечной мерзлоте, охлаждаемыми системами ГЕТ. При этом приходится решать нелинейную задачу Стефана. Постановка данной задачи записывается следующим образом [63,64]:

При моделировании фазовых превращений мерзлый грунт - талый грунт, фазовый переход происходит при заданной постоянной температуре фазового перехода t*. Пусть фазовый переход происходит на границе раздела фаз S, причем S=S(). Эта граница разделяет расчетную область на две подобласти. Область , занятая талым грунтом, где температура превышает температуру фазового перехода, . Область , занятая мерзлым грунтом, , рис. 1.2.1.

Рис. 1.2.1

Уравнение теплопроводности в мерзлом грунте

Где учитывая конвективный перенос в талом грунте

Здесь - удельные теплоемкости мерзлого и талого грунта соответственно, - плотности мерзлого и талого грунта,- коэффициенты теплопроводности мерзлого и талого грунта, - источники тепла в талом и мерзлом грунте соответственно, - скорость фильтрации.

На границе контакта двух сред справедливы предположения о непрерывности температуры

Фазовый переход сопровождается выделением/поглащением определенного количества тепла. Поэтому тепловой поток на границе фазового перехода разрывен и определяется как

L - энтальпия фазового перехода, - скорость движения границы фазового перехода по нормали.

Граница фазового перехода S определяется на каждый момент времени, при постоянной температуре t*, следующим образом:

Если на границе фазового перехода выполнены условия первого рода, то:

Условия (1.3) - (1.5) это условия Стефана, а задача для уравнений (1.1), (1.2) называется задачей Стефана [14]. Если исследуются процессы в обеих фазах, то говорят о двухфазной задаче Стефана. Если тепловое поле в одной из фаз известно (температура равна температуре фазового перехода), рассматривается тепловое поле для одной из фаз - однофазная задача Стефана. В этом случае неизвестная граница фазового перехода S является не внутренней, а внешней.

Например, считаем, что область занята мерзлой фазой при температуре t*. Тогда для нахождения температуры в талой фазе используем (1.2) в переменной области со следующими условиями S:

Условия (1.6), (1.7) характеризуют однофазную задачу Стефана. Условие Стефана (1.5) основано на предположении мгновенного выравнивания температуры к температуре фазового перехода и соответствует предположению неограниченности скорости фазового перехода. Это предположение в ряде случаев противоречит действительности. Чтобы этого избежать, можно использовать вместо (1.5) граничное условие третьего рода. Например, вместо (1.6) в однофазной задаче использовать условие,

которое ограничивает тепловые потоки к границе фазового перехода. Условие (1.8) используется наряду с (1.7), которое выражает закон сохранения энергии при любом движении границы фазового перехода.

В обобщенной формулировке условия (1.3) - (1.5) включаются в само уравнение теплопроводности.

В задаче Стефана ситуация осложняется тем, что граница раздела фаз S сама неизвестна и ее нужно найти.

Переход от уравнений (1.1), (1.2) с условиями (1.3) - (1.5) к одному уравнению теплопроводности записывается в виде одного уравнения

Вблизи границы фазового фронта введем локальную ортогональную координатную систему (xґ,yґ,zґ), метрические коэффициенты которой равны 1. В этих новых координатах поверхностная - функция , где определяет границу S. Аналогично для скорости движения свободной границы . Условие Стефана (1.5) соответствует тому, что в новых координатах . С учетом этого получим

Подстановка (1.10) в (1.9) дает

Учет теплоты фазового перехода эквивалентен заданию эффективной теплоемкости:

Квазилинейное уравнение теплопроводности (1.11) лежит в основе эффективных вычислительных процедур приближенного решения задач типа Стефана (данный метод называется методом эффективной теплоемкости).

Величина , как следует из работы [65], равна:



Где - удельная теплота плавления льда, - влажность грунта, - влажность за счет незамерзшей воды, - плотность скелета грунта.

Точные и приближенные аналитические решения задачи Стефана возможны только в отдельных случаях [66-88]. В большинстве случаев, как и в данной работе, используются численные методы расчета.

Классическая задача Стефана допускает обобщенную формулировку в виде одного нелинейного уравнения теплопроводности, при которой реализуются необходимые условия на границе фазового перехода. Это дает возможность строить вычислительные алгоритмы приближенного решения задач с фазовыми превращениями без явного выделения свободной границы. Это методы сквозного счета [64].

Рассматривается модельная двухфазная задача Стефана в прямоугольнике . Свободная граница S=S() разбивает на две подобласти и .

Рис. 1.2.2

В обеих подобластях выполняется уравнение теплопроводности. Теплофизические параметры мерзлой (-) и талой (+) фаз постоянны.

В начальный момент задается некоторое распределение температуры:

Пусть

Температуру фазового перехода принимаем равной 0 и поэтому свободная граница S определяется следующим образом:

На ней выполнены два условия сопряжения, отражающие непрерывность температуры и закон сохранения тепла:

Рассматриваемая двухфазная задача Стефана (1.14) - (1.19) может быть записана в виде одного общего уравнения теплопроводности во всей области . Пусть - дельта функция, тогда вместо уравнений (1.14) и условий сопряжения (1.17)-(1.19) можно рассматривать одно уравнение теплопроводности

Здесь коэффициенты теплоемкости и теплопроводности разрывны и имеют вид



В соответствие с (1.15) и (1.16) уравнение (1.20) дополняется условиями

Особенность задачи Стефана проявляется в наличии слагаемого с - функцией в левой части уравнения (1.20). Выделение или поглащение тепла при фазовом переходе соответствует наличию сосредоточенной теплоемкости на границе фазового перехода. Сама краевая задача (1.20) - (1.22) не очень сильно отличается от квазилинейных задач теплопроводности. Это позволяет перейти к построению соответствующих разностных схем.

Простейший подход к приближенному решению задачи Стефана в (1.20) - (1.22) в том, что коэффициенты уравнения (1.20) сглаживаются, т.е. совершается переход к обычной задаче теплопроводности.

В (1.20) теплоемкость и слагаемое входят одинаковым образом. Заменяя - функцию некоторой функцией , которая отлична от 0 только внутри интервала сглаживания , введем эффективную сглаженную теплоемкость

При необходимости проводится сглаживание заменяется на и вместо (1.20) ищется решение уравнения со сглаженными коэффициентами



В вычислительной практике получили распространение аппроксимационные формулы для , которые строятся из условия сохранения баланса тепла на интервале . Простейшая из них связана заданием

В качестве второго примера параболическая аппроксимация, когда

Для которой условие также, очевидно, выполнено. Как показывают численные эксперименты, точность разностного решения слабо зависит от выбора той или иной аппроксимационной формулы для - функции, в частности от выбора (1.25) или (1.26). Более существенное влияние оказывает величина параметра сглаживания , который зависит от используемой сетки и определяется эмпирически в результате методических расчетов.

В методах сквозного счета разностную схему строят на основе использования (1.24), считая коэффициенты этого уравнения достаточно гладкими. Сама граница фазового перехода не выделяется, не участвует в построении разностной схемы. При необходимости свободная граница идентифицируется как нулевая изотерма после найденного решения.

1.3 Постановка задачи

Разностная схема, соответствующая уравнению (1.24) записывается в следующем виде

Где - определяется следующими выражениями

Здесь - температуропроводности талого и мерзлого грунта соответственно, - коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунта, - объемные теплоемкости талого и мерзлого грунта.

Величина определяет в методе эффективной теплоемкости [64] диапазон температур при которых идет фазовый переход, а именно . При расчете дельта - функция Дирака в выражении (1) заменена на функцию , задающуюся следующими выражениями [64]



Сетка пространственных и временных координат в расчетной области, а также критерий устойчивости явной разностной схемы, задаются следующими выражениями

,

Где , - величины шагов по координатам x,y,z соответственно, - шаг по времени, - максимальные значения i,j,k, задающие размеры расчетной области, - задает момент времени, в который определяется температурное поле.

Тепловое взаимодействие поверхности грунта с атмосферой главным образом зависит от теплового воздействия радиации и конвективного теплообмена. Тепловой поток, задающий воздействие радиации на поверхность грунта или снега задается следующим выражением [89]:

Где - радиационный тепловой поток, - суммарная прямая и рассеянная солнечная радиация, - альбедо, - постоянная Стефана-Больцмана, - температура поверхности Земли (К), - доля инфракрасного излучения, излученного поверхностью и отраженного атмосферой назад к поверхности Земли, - коэффициент серости поверхности.

Как следует из работы [89], коэффициент серости можно принимать близким к единице, а величина в среднем по планете, как следует из работы [90], равна 0,84. Данная величина в нашем конкретном случае неизвестна, однако вклад от нее в общий тепловой поток не является определяющим, поэтому для расчетов можно использовать среднее по планете значение.

Конвективный тепловой поток от атмосферы к грунту или снегу задается следующим выражением [91]:

Здесь - тепловой поток, обусловленный конвекцией, - плотность воздуха, - удельная теплоемкость воздуха, , - постоянная Кармана,

- скорость воздуха на высоте от поверхности, - температура воздуха на высоте , - температура воздуха вблизи поверхности снега или грунта.

Обычно температуру измеряют на высоте около двух метров, а скорость ветра на высоте 10м, для того чтобы получить окончательное выражение учтем, что выполняется следующее соотношение [91]:

Подставляя (1.30) в (1.29), получаем окончательное выражение для конвективного теплового потока (1.31)



Где - высота, на которой измеряется температура атмосферы на метеостанции, - параметр, который учитывает неровность поверхности. Чем больше неровность поверхности, тем больше . Для гладкого покрытия, такого как снег, как следует из работы [89], , А=0,75; для грунта , А=0,25

Значение суммарной прямой и рассеянной солнечной радиации берется либо из работы [89] либо из СНИП 131.13330.2012 (таблица 1.3.1), граничные условия на поверхности грунта записываются следующим образом:

- коэффициент теплопроводности материала, граничащего с воздухом, будь то снег, или просто грунт, - глубина.

На рисунке 1.3.1 представлена схема граничных условий в расчетной области.

Рис. 1.3.1. Схема граничных условий

На боковых поверхностях расчетной области берется граничное условие , - тепловой поток, перпендикулярный боковой поверхности расчетной области. На нижней границе расчетной области задается граничное условие первого рода . Под зданием задается граничное условие . Здесь - начальная температура, - температура в помещении. Сетка координат подбирается всегда таким образом, чтобы узлы решетки проходили через трубы испарителей охлаждающей системы (трубы испарителей охлаждающей системы считаются линейными источниками холода). Несложно вычислить, что тепловой поток, входящий в узел, через который проходит труба испарителей охлаждающей системы и имеющий по координатам x,y,z номера i,j,k, соответственно задается выражением (1.33)

Тепловой обмен между испарительной системой СОУ и атмосферой задается граничным условием (1.34)

Где Q - суммарный тепловой поток, входящий в испарительную систему и выходящий через систему конденсаторов, М - множество узлов вычислительной сетки, через которые проходят трубы охлаждающей системы, - площадь одного конденсатора, - количество конденсаторов, - коэффициент эффективности ребер, - температура конденсатора, - температура атмосферного воздуха, - коэффициент теплоотдачи конденсатора.

Как следует из работы [61], для системы ГЕТ, температура конденсатора может быть определена, если известна температура испарителя, которая в свою очередь равна температуре грунта на границе с трубой испарителя.

- температура трубы испарителя, - плотность хладагента, - ускорение свободного падения, Н - высота подъема конденсатора над испарителем, - производная от давления насыщенных паров по температуре.

Таблица 1.3.1. Значения среднемесячной мощности солнечной радиации, измеряемые в Вт/м2, пересчитанные из суммарной радиации за каждый месяц в соответствии с СНИП 131.13330.2012

месяц	Географическая широта, град с.ш.
	52	56	60	64	68
Январь	61,8	41,7	25,5	13,4	-
Февраль	111,6	90,8	69,9	55,1	46,1
Март	197,6	174,7	151,9	151,9	104,8
Апрель	261,1	251,4	236,1	226,4	219,4
Май	317,2	313,2	307,8	309,1	301,1
Июнь	338,9	337,5	338,9	333,3	333,3
Июль	329,3	326,6	319,9	319,9	331,9
Август	268,8	259,4	245,9	239,2	239,2
Сентябрь	208,3	187,5	175	154,2	137,5
Октябрь	129,0	99,5	77,9	64,5	45,7
Ноябрь	75	48,6	31,9	22,2	12,5
Декабрь	47,0	30,9	17,5	-	-

Расчеты проводились на суперкомпьютере НКС-30Т СО РАН с использованием MPI технологии параллельного программирования [92].

Те или иные вопросы, посвящённые прогнозированию состояния грунтов, были рассмотрены в работах [1,12,13,93-95]

В соответствии с вышеизложенной методикой, были рассчитаны температурные поля на конкретных объектах и проведено сравнение теоритических данных с данными термометрии [96-100]. Было получено достаточно хорошее согласие теории и эксперимента. Подробно результаты расчетов термополей на конкретных объектах приведены в главе 2. Кроме того в работе [101] был предложен и опубликован метод прогнозирования состояния грунтов с учетом различных вариантов изменения метеорологических характеристик во времени (стохастический метод). При этом необходимо отметить, что статистические методы анализа состояния грунтов рассматривались ранее в работе [15, 16], но в данных работах моделирование различных вариантов изменения метеорологических характеристик во времени методом Монте-Карло не производилось.

2. Расчет сооружений, построенных на Вечной мерзлоте

2.1 Расчет нефтяного резервуара на Уренгойском месторождении

Для тестирования методики расчетов, изложенных в главе 1, нами были рассчитаны термополя на конкретных объектах и проведено сравнение теоретических данных с данными термометрии. В частности, в данном параграфе выполнен численный расчет нестационарных температурных полей и динамика работы системы горизонтального охлаждения грунта типа «ГЕТ» (горизонтальная естественно-действующая трубчатая система) [8] под пустым резервуаром объемом 5000 м3, расположенном на Уренгойском месторождении [99]. Температура в резервуаре принималась равной температуре атмосферного воздуха. Теплообмен между грунтом и хладагентом рассчитывался в соответствии с методикой, изложенной в §3 главы 1. Система охлаждения состоит из 4 конденсаторных блоков с площадью оребрения 100м2 каждый, поднятых на высоту 3,83 м относительно труб испарителей. Трубы испарителей покрывают площадь круга с диаметром 32м, расстояние между трубами испарительной системы составляет 0,8м. Диаметр резервуара составляет 22,8м. Под резервуаром находится слой насыпного песка толщиной 0,4м и слой полистирольных плит толщиной 0,33м, под слоем полистирольных плит находится слой песка толщиной 1,6м, ниже находится суглинок. Теплофизические характеристики насыпного песка и суглинка приведены в таблице №2.1.1.

План размещения системы температурной стабилизации в основании резервуара РВС-5000 на ЦПС-2 Уренгойского месторождения изображен на рисунке №2.1.1.

Таблица 2.1.1

		w
Песок	1620	0,17	2,51	2,18	2188	2761
Суглинок	1490	0,27	1,55	1,31	2340	2840

Рис. 2.1.1. План размещения системы температурной стабилизации в основании резервуара РВС-5000 на ЦПС-2 Уренгойского месторождения: 1-резервуар РВС-5000; 2-полиэтиленовые трубки; 3-коллектор

Климатическая информация использована по Новому Уренгою. Вычисление проводилось для среднемесячных значений температуры, скорости ветра и толщины снежного покрова, эти значения представлены в таблице №2.1.2.

Таблица 2.1.2. Среднемесячные значения температуры, скорости ветра и толщины снежного покрова в Новом Уренгое

	ta,°C	v,м/с	h,м
Сентябрь 1989	8,1	4,1	0,0
Октябрь 1989	-16,6	5,3	0,14
Ноябрь 1989	-18,0	5,0	0,21
Декабрь 1989	-23,7	3,8	0,21
Январь 1990	-25,5	4,9	0,45
Февраль 1990	-25,1	3,8	0,71
Март 1990	-17,1	5,0	0,79
Апрель 1990	-2,9	7,5	0,75
Май 1990	-2,1	5,0	0,57
Июнь 1990	12,8	3,7	0,16
Июль 1990	24,0	3,6	0,0
Август 1990	12,9	3,3	0,0

Таблица 2.1.3. Значения среднемесячной мощности солнечной радиации (Вт/м2), в Новом Уренгое, пересчитанные из суммарной радиации за каждый месяц в соответствии с СНИП 131.13330.2012

месяц	Географическая широта, град с.ш.
	64
Январь	13,4
Февраль	55,1
Март	151,9
Апрель	226,4
Май	309,1
Июнь	333,3
Июль	319,9
Август	239,2
Сентябрь	154,2
Октябрь	64,5
Ноябрь	22,2
Декабрь	-

Расчет проводился с начала сентября 1989г. по конец мая 1990г.

Расчетная область изображена на рисунках 2.1.2.



Рис. 2.1.2. Расчетная область

Сетка пространственных и временных координат в расчетной области задается следующими выражениями

В ходе работы для расчета температурных полей были взяты данные четырех термоскважин (№365, №366, №368, №369) с термометрическими датчиками, расположенными под резервуаром. В таблице №2.1.4 приведены теоретические и экспериментальные показания этих датчиков и на рисунке №2.1.3 изображена схема их расположения.

Таблица 2.1.4. Показания термометрических датчиков термоскважин (№365, №366, №368, №369)

Дата		369	366	368	365
21.01.1990	№ датчика	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)
	1	-3,22	-2,9	-17,3	-19,63	0,09	-2,37	-8,21	-19,45
	2	-7,86	-12,47	-17,16	-17,62	-1,09	-4,58	-8,17	-10,04
	3	-16,52	-18,6	-16,72	-16,24	-7,84	-10,1	-8,02	-8,86
	4	-16,12	-17,37	-16,28	-15,6	-7,89	-9,63	-7,89	-8,85
	5	-16,09	-16,8	-16,25	-16,43	-7,86	-8,5	-7,86	-8,71
	6	-16,09	-16,56	-16,25	-16,59	-7,86	-8,54	-7,86	-8,69
	7	-16,09	-16,66	-16,25	-15,52	-7,86	-8,16	-7,86	-8,78
	8	-16,11	-16,58	-16,28	-17,1	-7,88	-9,03	-7,89	-8,67
	9	-16,53	-17,29	-16,67	-16,09	-7,87	-9,74	-7,87	-8,96
	10	-8,89	-15,02	-13,11	-7,53	-2,02	-8,35	-2,83	-4,96
	11	-3,22	-12,32	-3,26	-3,86	0,09	-4,15	0,09	-4,52
Дата		369	366	368	365
20.03.1990	№ датчика	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)
	1	-2,69	-6,73	-14,92	-16,17	0,008	-4,73	-11,28	-16,11
	2	-9,35	-11,26	-14,94	-15,48	-5,93	-7,24	-11,42	-11,83
	3	-14,76	-15,54	-14,89	-15,17	-10,91	-10,91	-11,35	-11,63
	4	-14,53	-14,8	-14,56	-14,56	-11,19	-11,24	-11,21	-11,49
	5	-14,51	-15,19	-14,53	-15,07	-11,17	-11,06	-11,17	-11,23
	6	-14,51	-15,17	-14,53	-14,95	-11,17	-11,3	-11,17	-11,34
	7	-14,51	-15,15	-14,53	-15,02	-11,17	-10,74	-11,17	-11,3
	8	-14,52	-14,88	-14,56	-14,98	-11,18	-11,4	-11,19	-11,31
	9	-14,78	-14,82	-14,79	-14,49	-11,97	-11,03	-10,95	-10,92
	10	-10,07	-12,96	-12,03	-8,7	-6,42	-9,52	-6,59	-8,22
	11	-2,76	-10,69	-2,81	-4,68	0,007	-7,12	0,003	-5,65
Дата		369	366	368	365
20.04.1990	№ датчика	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)	tteor(°C)	texp(°C)
	1	-1,81	-3,28	-11,79	-10,32	-0,13	-1,96	-10,37	-10,51
	2	-7,43	-8,72	-12,1	-11,07	-5,96	-7,59	-10,64	-10,88
	3	-11,95	-11,58	-12,42	-11,68	-10,06	-10,3	-10,66	-10,96
	4	-12,08	-11,46	-12,11	-11,63	-10,45	-10,67	-10,49	-10,93
	5	-12,03	-11,61	-12,04	-11,8	-10,44	-10,64	-10,44	-10,82
	6	-12,03	-11,89	-12,03	-11,93	-10,43	-10,91	-10,43	-10,93
	7	-12,03	-11,85	-12,03	-11,95	-10,44	-10,28	-10,44	-10,96
	8	-12,07	-11,63	-12,08	-11,72	-10,45	-10,88	-10,45	-10,86
	9	-12,0	-11,13	-11,98	-11,15	-10,12	-10,43	-10,09	-10,4
	10	-7,83	-8,94	-7,74	-8,61	-6,3	-9,31	-6,26	-8,4
	11	-1,91	-6,04	-1,93	-5,51	-0,15	-6,55	-0,17	-6,33



Рис. 2.1.3. Схема размещения термоскважин: а - вид сбоку; б - вид сверху; I- термоскважина №368, II- термоскважина №369, III- термоскважина №365, IV- термоскважина №366; Р1, Р2, Р3, Р4 - конденсаторные блоки

Было проведено сравнение теоретических значений температур для термоскважин и реальных показаний термодатчиков термоскважин. В результате на рисунках №2.1.4, 2.1.6, 2.1.8 (а,б,в,г,д) показаны изображения термополей под резервуаром и на рис№2.1.5, 2.1.7, 2.1.9(а,б,в,г) показаны сравнения теоретических и реальных данных. Из рисунков видно, что теоретические данные имеют тесную связь с экспериментальными данными, таким образом методика, изложенная в главе 1, может использоваться для дальнейших расчетов температурных полей в грунтах и проведения стохастического прогноза.

Рис. 2.1.4. а. Температурное поле под нижней кромкой пеноплэкса на 21 января 1990 г. б.Температурное поле на уровне термоскважин №366 и №369 на 21 января 1990 г. в. Температурное поле на уровне термоскважин №365 и №368 на 21 января 1990 г. г. Температурное поле на 21 января 1990г., в плоскости, проходящей через центр резервуара и расположенной перпендикулярно трубам охлаждающей системы. д. Температурное поле на 21 января 1990 г., в плоскости, проходящей через центр резервуара и расположенной параллельно трубам охлаждающей системы



Рис. 2.1.5. Значения температуры для термоскважин на 21 января 1990г. с термометрическими датчиками: а - термоскважина №365; б - термоскважина №366; в - термоскважина №368; г - термоскважина №369; 1 - теоретические значения температуры; 2 - показания термодатчиков



Рис.2.1.6. а. Температурное поле под нижней кромкой пеноплэкса на 20 марта 1990 г. б. Температурное поле на уровне термоскважин №366 и №369 на 20 марта 1990 г. в. Температурное поле на уровне термоскважин №365 и №368 на 20 марта 1990 г. г. Температурное поле на 20 марта 1990 г., в плоскости, проходящей через центр резервуара и расположенной перпендикулярно трубам охлаждающей системы. д. Температурное поле на 20 марта 1990 г., в плоскости, проходящей через центр резервуара и расположенной параллельно трубам охлаждающей системы



Рис. 2.1.7. Значения температуры для термоскважин на 20 марта 1990г. с термометрическими датчиками: а - термоскважина №365; б - термоскважина №366; в - термоскважина №368; г - термоскважина №369; 1 - теоретические значения температуры; 2 - показания термодатчиков



Рис. 2.1.8. а. Температурное поле под нижней кромкой пеноплэкса на 20 апреля 1990 г. б. Температурное поле на уровне термоскважин №366 и №369 на 20 апреля 1990 г. в. Температурное поле на уровне термоскважин №365 и №368 на 20 марта 1990 г. г. Температурное поле на 20 апреля 1990 г., в плоскости, проходящей через центр резервуара и расположенной перпендикулярно трубам охлаждающей системы. д.. Температурное поле на 20 апреля 1990 г., в плоскости, проходящей через центр резервуара и расположенной параллельно трубам охлаждающей системы.



Рис. 2.1.9. Значения температуры для термоскважин на 20 апреля 1990г. с термометрическими датчиками: а - термоскважина №365; б - термоскважина №366; в - термоскважина №368; г - термоскважина №369; 1 - теоретические значения температуры; 2 - показания термодатчиков

Рассчитаем теперь точность определения температуры. Для каждой из термоскважин определим среднеквадратичное отклонение по формуле:

где - теоретическая температура на датчике с номером , - экспериментальная температура на датчике с номером (таблица №2.1.4), - полное число датчиков, по которым ведется расчет. Для анализа интересно также определить точность измерения экспериментальной температуры по следующей формуле:



Для тех участков термоскважин, где температура не меняется (рисунки 2.1.5, 2.1.7, 2.1.9), получаем следующую таблицу:

Таблица 2.1.5. Значения и для термоскважин №365, №366, №368 и №369 на различные даты, на участках, где температура меняется слабо (центр резервуара)

Дата	365	366	368	369
21.01.1990	0.9	0.099	0.57	0.67	1.41	0.68	1.05	0.68
20.03.1990	0.24	0.2	0.42	0.26	0.41	0.21	0.55	0.25
20.04.1990	0.38	0.19	0.49	0.25	0.31	0.24	0.49	0.24

Как видно из таблицы точность определения температуры в большинстве случаев меньше одного градуса Цельсия и по порядку величины совпадает с точностью измерений. На границах, там, где температура резко меняется, расхождения между теорией и экспериментом более значительны, что видно из следующей таблицы:

Таблица 2.1.6 Значения для термоскважин №365, №366, №368 и №369, с учетом всех датчиков каждой термоскважины

Дата	365	366	368	369
21.01.1990	3.83	1.9	2.86	3.69
20.03.1990	2.3	1.26	2.79	2.91
20.04.1990	1.99	1.3	2.27	1.47

Из таблицы видно, что чем дальше по времени расчетная дата от 1 сентября 1989г., начальной даты расчета, тем лучше точность расчета. Действительно, начальные данные по температуре, как правило, известны не точно, что и приводит к ошибкам при расчете. Из таблиц №2.1.5 и№2.1.6 видно, что точность вычислений меньше 2?С для термоскважин в целом и меньше 0.5С для участков термоскважин, где температура меняется слабо.

2.2 Расчет Пожарного Депо на Ванкорском месторождении

Системы охлаждения грунтов были запущены в эксплуатацию 17 июня 2008 года и эксплуатируются до настоящего времени. Эффективность их работы на протяжении всех последних лет подтверждена термометрическим мониторингом, который проводился ОАО «Ванкорнефть» и ООО НПО «Фундаментстройаркос» [100]. Температуры грунта на глубине 2м от поверхности пола приведены в таблице №.2.2.1. Расположение термометрических скважин ТТ1-ТТ6 и расчетная область приведены на рисунках 2.2.1а,б,в [100].

Таблица 2.2.1.

Дата измерения	ТТ2	ТТ3	ТТ4	ТТ5
14.07.2010	-1.3	-1.9	-1.0	-6.3
21.11.2010	-1.19	-2.75	-2.44	-4.81
04.01.2011	-6.31	-8.81	-8.88	-6.13
31.03.2012	-6.83	-6.58	-6.77	-8.07

Рис. 2.2.1. Сетка пространственных и временных координат в расчетной области задается следующими выражениями

Система охлаждалась шестью стандартными конденсаторными блоками, расстояние между трубами испарителей составляло 0.6м. Непосредственно под полом находится слой песка толщиной 1,5м, после слоя песка находится слой пеноплекса толщиной 0,2м, трубы системы ГЕТ расположены на глубине 0,3м от нижней кромки пеноплекса. Ниже пеноплекса находится насыпной грунт (песок крупный), который простирается на глубину 3м от нижней кромки пеноплекса, ниже насыпного грунта находится песок мелкий.

Область, занятая трубами испарителей представляет собой прямоугольник 50м на 28м. Само здание есть прямоугольник 46м на 24м.

Система была запущена в эксплуатацию 17.06.2008г.

Расчеты производились до марта 2012г. При расчетах использовались метеорологические характеристики, полученные по архивным данным метеостанции Игарка (сайт http://rp5.ru) и приведенные в таблице №2.2.2.

Таблица 2.2.2

	ta,°C	v,м/с	h,м
Июнь 2008	10,2	3,3	0,14
Июль 2008	15,5	3,2	-
Август 2008	12,1	2,9	-
Сентябрь 2008	-7,8	3,4	0,01
Октябрь 2008	-4,2	3,7	0,14
Ноябрь 2008	-18,3	2,8	0,5
Декабрь 2008	-23,8	3,9	0,7
Январь 2009	-23,6	4,1	0,76
Февраль 2009	-30,5	2,5	0,81
Март 2009	-20,9	2,8	0,94
Апрель 2009	-6,8	3,5	0,87
Май 2009	-3,2	3,2	0,57
Июнь 2009	9,1	3,8	0,06
Июль 2009	17,4	2,9	-
Август 2009	13,2	2,8	-
Сентябрь 2009	7,2	4,0	-
Октябрь 2009	-4,6	3,7	0,11
Ноябрь 2009	-22,0	2,8	0,31
Декабрь 2009	-34,5	2,1	0,31
Январь 2010	-29,0	2,4	0,36
Февраль 2010	-33,9	1,3	0,53
Март 2010	-16,2	2,5	0,55
Апрель 2010	-6,9	2,4	0,57
Май 2010	-1,5	3,1	0,38
Июнь 2010	8,0	2,8	0,03
Июль 2010	12,9	2,6	-
Август 2010	10,0	2,4	-
Сентябрь 2010	3,0	2,6	0,01
Октябрь 2010	-2,9	2,9	0,08
Ноябрь 2010	-20,9	2,1	0,32
Декабрь 2010	-31,7	2,3	0,41
Январь 2011	-24,8	2,5	0,58
Февраль 2011	-26,6	2,3	0,67
Март 2011	-11,9	3,4	0,85
Апрель 2011	-3,4	2,9	0,63
Май 2011	4,5	3,1	0,03
Июнь 2011	13,9	2,6	-
Июль 2011	12,1	2,9	-
Август 2011	10,9	2,6	-
Сентябрь 2011	8,1	2,4	-
Октябрь 2011	-2,0	2,6	0,04
Ноябрь 2011	-17,8	3,4	0,13
Декабрь 2011	-16,3	3,2	0,39
Январь 2012	-27,2	1,8	0,57
Февраль 2012	-18,2	2,7	0,71
Март 2012	-15,4	2,1	0,74

Таблица 2.2.3

		w
Песок крупный	1600	0,15	2,0	1,81	2010	2344
Песок мелкий	1600	0,24	1,91	1,81	2470	2813

Таблица 2.2.4. Значения среднемесячной мощности солнечной радиации, измеряемые в Вт/м2, на Ванкоре, пересчитанные из суммарной радиации за каждый месяц в соответствии с СНИП 131.13330.2012

месяц	Географическая широта, град с.ш.
	68
Январь	-
Февраль	46,1
Март	104,8
Апрель	219,4
Май	301,1
Июнь	333,3
Июль	331,9
Август	239,2
Сентябрь	137,5
Октябрь	45,7
Ноябрь	12,5
Декабрь	-

Температурные поля, полученные при расчетах на 05.02.2009г. и на 31.03.2012г., приведены на рисунках 2.2.2а,б,в и 2.2.4а,б,в. Также приводится сравнение термометрического мониторинга и расчетных данных.

Как видно из сравнения экспериментальных и расчетных значений температур грунтов, основания здания Пожарного депо, система ГЕТ обеспечивает температурную стабилизацию и несущую способность вечномерзлых грунтов. Разработанный метод расчета позволяет с достаточной точностью прогнозировать динамику изменения температурных полей в грунтах с применением систем ГЕТ.



Рис. 2.2.2. а. Температурное поле под нижней кромкой пеноплэкса на 05.02.2009 г. б. Температурное поле на глубине 1 м от нижней кромки пеноплэкса на 05.02.2009 г. в. Температурное поле на глубине 5 м от нижней кромки пеноплэкса на 05.02.2009 г. По оси абсцисс отложена координата y, измеряемая в шагах координатной сетки , по оси ординат отложена координата z, измеряемая в шагах координатной сетки .



Рис. 2.2.3. а. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №1 на 05.02.2009 г. б. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №2 на 05.02.2009 г. в. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №3 на 05.02.2009 г. г. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №4 на 05.02.2009 г. По оси y отложена температура, по оси x глубина (м). Красная сплошная линия расчетные значения, синяя штрихованная линия данные термометрии



Рис. 2.2.4. а. Температурное поле под нижней кромкой пеноплэкса на 31.03.2012 г. б. Температурное поле на глубине 1 м от нижней кромки пеноплэкса на 31.03.2012 г. в. Температурное поле на глубине 5м от нижней кромки пеноплэкса на 31.03.2012 г.

По оси абсцисс отложена координата y, измеряемая в шагах координатной сетки , по оси ординат отложена координата z, измеряемая в шагах координатной сетки .



Рис. 2.2.5. а. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №1 на 31.03.2012 г. б. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №3 на 31.03.2012г. в. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №4 на 31.03.2012г. по оси y отложена температура, по оси x глубина (м). г. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №4 на 31.03.2012 г. по оси y отложена температура, по оси x глубина (м). Красная сплошная линия расчетные значения, синяя штрихованная линия данные термометрии

2.3 Расчет емкости с нефтью объемом 50000 м3 на Варандейском месторождении

Нефтяной резервуар на месторождении представляет собой бочку с внутренним диаметром и внешним диаметром . Между внутренней стенкой резервуара и его внешней стенкой находится воздух для предотвращения боковых тепловых потоков. Нефть в ёмкости находится при температуре 45°С. Под резервуаром находится гидрофобный слой толщиной с коэффициентом теплопроводности , под этим слоем, в свою очередь, находится слой термоизолятора толщиной с коэффициентом теплопроводности . Общий вид расположения термосифонов во всех трех проекциях изображен на рисунках №2.3.1а,б,в.

Рис. 2.3.1

Испарители термосифонов наклонены к горизонтали на один два градуса, и, поэтому их, с хорошей точностью, можно считать горизонтальными. Расчетная область приведена на рис.2.3.2.

Рис. 2.3.2. Расчетная область

Сетка пространственных и временных координат в расчетной области задается следующими выражениями

Климатическая информация использовалась по Варандею. Вычисление проводилось для среднемесячных значений температуры и скорости ветра и толщины снежного покрова, эти значения представлены в таблице №2.3.1.

Таблица 2.3.1. Среднемесячные значения температуры, скорости ветра и толщины снежного покрова на Варандейской метеостанции

	ta,°C	v,м/с	h,м
Сентябрь 2007	6,7	6,4	0,01
Октябрь 2007	3,1	7,9	0,14
Ноябрь 2007	-7,7	6,3	0,21
Декабрь 2007	-7,9	8,1	0,21
Январь 2008	-9,0	8,2	0,45
Февраль 2008	-14,7	6,7	0,71
Март 2008	-15,4	7,1	0,79
Апрель 2008	-9,1	5,7	0,75

Таблица 2.3.2. Значения среднемесячной мощности солнечной радиации, измеряемые в Вт/м2, на Варандее, пересчитанные из суммарной радиации за каждый месяц в соответствии с СНИП 131.13330.2012

месяц	Географическая широта, град с.ш.
	68
Январь	-
Февраль	46,1
Март	104,8
Апрель	219,4
Май	301,1
Июнь	333,3
Июль	331,9
Август	239,2
Сентябрь	137,5
Октябрь	45,7
Ноябрь	12,5
Декабрь	-

Расчет проводился с начала сентября 2007г. до конца апреля 2008г.

В отчете [102] приведены экспериментальные данные, которые мы сравнили с теоретическими и получили хорошее согласие. Далее в работе при относительном отклонении теоретических данных от экспериментальных равным 5%, мы считали, что совпадение хорошее. В таблице №2.3.3 приведены экспериментальные данные в термометрическом поперечнике (ТМП). В таблице № 2.3.4 экспериментальные данные по центральной термскважине (ТСВ). На рисунке 2.3.3 изображена схема расположения ТМП и ТСВ в грунте.

В таблице №2.3.5 приводятся теоретические данные в термометрическом поперечнике (ТМП) и в таблице № 2.3.6 теоретические данные по центральной термоскважине (ТСВ). На рис.2.3.4а,б - 2.3.12а,б приведены сравнения теоретических расчетов, выполненных в рамках данной работы с данными термометрии. Из рисунков видно, что получено неплохое согласие теории и эксперимента. На рисунках 2.3.13а,б,в приведены температурные поля на 06.03.08г. под нижней кромкой пеноплэкса, на уровне ТМП и на уровне труб испарителей, из рисунков видно, что система охлаждения работает нормально.



Рис. 2.3.3. Расположение термометрических скважин под резервуаром (ТСВ-1, ТМП-1)

Таблица 2.3.3. Экспериментальные данные в термометрическом поперечнике (ТМП-1)

Западная сторона Термометрический поперечник (ТМП-1)
Расстояние от центра, м	-33	-30	-27	-24	-21	-18	-15	-12	-9	-6	-3	0
25.01.2008	-4.52	-5.25	-5.82	-6.22	-5.37	-5.49	-5.14	-5.07	-4.81	-4.54	-5.09	-4.85
05.02.2008	-4.46	-5.01	-5.54	-5.94	-5.16	-5.24	-4.98	-4.90	-4.63	-4.35	-4.86	-4.66
25.02.2008	-7.70	-8.58	-8.77	-9.15	-8.17	-8.74	-7.44	-7.66	-6.71	-6.19	-6.73	-6.59
06.03.2008	-9.35	-9.97	-10.24	-10.77	-9.78	-10.29	-8.92	-9.21	-8.03	-7.50	-8.16	-8.04
16.03.2008	-10.25	-10.78	-11.02	-11.43	-10.43	-10.94	-9.71	-9.99	-8.88	-8.33	-9.07	-8.96
26.03.2008	-9.75	-9.75	-10.31	-10.94	-10.05	-10.19	-9.52	-9.65	-8.79	-8.41	-9.15	-9.00
05.04.2008	-8.25	-8.28	-8.72	-9.04	-8.24	-8.39	-8.16	-8.07	-7.76	-7.45	-8.10	-7.91
18.04.2008	-8.79	-8.51	-8.68	-9.25	-8.38	-8.50	-7.85	-8.03	-7.32	-7.12	-7.73	-7.61
21.04.2008	-8.26	-7.95	-8.14	-8.62	-7.90	-7.88	-7.50	-7.65	-7.00	-6.86	-7.43	-7.26
Восточная сторона Термометрический поперечник (ТМП-1)
Расстояние от центра, м	0	3	6	9	12	15	18	21	24	27	30	33
25.01.2008	-5.21	-5.66	-5.52	-5.58	-5.07	-5.38	-5.78	-6.05	-6.04	-5.79	-3.90	-4.35
05.02.2008	-4.97	-5.36	-5.28	-5.40	-4.99	-5.28	-5.54	-5.76	-5.72	-5.45	-3.72	-4.57
25.02.2008	-7.17	-8.47	-7.88	-8.01	-6.28	-6.56	-8.53	-9.15	-8.89	-9.48	-6.94	-6.00
06.03.2008	-8.59	-9.88	-9.31	-9.34	-7.38	-7.65	-9.79	-10.56	-10.30	-10.80	-8.10	-7.15
16.03.2008	-9.51	-10.78	-10.19	-10.19	-8.18	-8.46	-10.54	-11.31	-11.09	-11.58	-8.91	-9.53
26.03.2008	-9.40	-10.13	-9.92	-9.79	-8.52	-8.76	-9.85	-10.52	-10.40	-10.13	-8.03	-9.08
05.04.2008	-8.26	-8.72	-8.63	-8.58	-7.93	-8.16	-8.55	-8.83	-8.77	-8.43	-6.31	-6.31
18.04.2008	-8.07	-8.68	-8.40	-8.38	-7.50	-7.66	-8.37	-8.82	-8.62	-8.49

Подобные документы

• Применение технологии вакуумной сушки поверхности холоднокатаной полосы для очистки от смазочно-охлаждающих жидкостей в условиях стана 2500 ЛПЦ-5 ОАО "ММК"

  Анализ технологии производства холоднокатаного листа и дефектов холоднокатаного проката на стане 2500. Применение технологических смазок и охлаждающих жидкостей при холодной прокатке. Устройство и принцип работы, преимущества системы "VacuRoll".
  
  дипломная работа [2,0 M], добавлен 23.08.2015
  

• Исследования системы применения смазочно-охлаждающих жидкостей

  Методы проектирования систем применения смазочно-охлаждающих жидкостей на операциях шлифования. Математическая модель процесса очистки СОЖ от механических примесей в фильтрах и баках-отстойниках. Исследование движения жидкости и механических примесей.
  
  дипломная работа [439,5 K], добавлен 23.01.2013
  

• Вибрационные загрузочные устройства

  Классификация вибрационных загрузочных устройств. Элементы теории виброперемещений изделий. Расчет режима работы, конструктивных размеров чаши и выбор угла наклона лотка вибрационных загрузочных устройств. Расчет параметров электромагнитного вибратора.
  
  методичка [1,3 M], добавлен 22.01.2015
  

• Многокритериальная параметрическая оптимизация систем управления

  Принцип работы и структурная схема системы стабилизации (СС) самолета по углу тангажа, модели ее устройств. Модель СС самолета в передаточных функциях и определение области работоспособности. Схема моделирования и переходная функция исходной системы.
  
  презентация [426,6 K], добавлен 15.09.2012
  

• Мокрые газгольдеры

  Основные виды газгольдера — большого резервуара для хранения природного, биогаза или сжиженного нефтяного газа. Рабочее давление в газгольдерах I и II классов. Составные элементы и устройство мокрых газгольдеров, их принцип действия и схема работы.
  
  презентация [315,7 K], добавлен 29.11.2013
  

• Устройство и принцип работы гидроприводов

  Классификация, устройство и принцип работы направляющей аппаратуры гидроприводов: логических клапанов, выдержки времени. Назначение и элементы уплотнительных устройств гидроприводов. Закон Архимеда. Расчет аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком.
  
  контрольная работа [932,3 K], добавлен 17.03.2016
  

• Расчет очистных устройств

  Механизм образования пыли в воздухе производственных помещений, ее свойства, химический состав и растворимость, степень взрывоопасности и дисперсность. Определение коэффициента полезного действия очистных устройств, мероприятия по борьбе с пылью.
  
  контрольная работа [659,0 K], добавлен 23.11.2010
  

• Назначение, устройство, принцип работы технологического и товарного резервуаров и их оборудования

  Классификация и оборудование резервуаров. Элементы и технологическая характеристика вертикального стального резервуара. Принцип работы технологического и товарного резервуаров, уровнемера Ерошкина, радарного уровнемера. Средства пожаротушения резервуара.
  
  курсовая работа [2,2 M], добавлен 26.05.2015
  

• Расчет выпарного аппарата

  Выбор конструкции кожухотрубного теплообменника выпарного аппарата и схемы движения в нем теплоносителя. Применение холодильных конденсаторов КТ для сжижения хладагента в аммиачных и углеводородных охлаждающих установках общепромышленного назначения.
  
  курсовая работа [486,6 K], добавлен 07.01.2015
  

• Разработка программируемого термостабилизатора

  Расчет затрат на комплектующие изделия и полуфабрикаты при разработке программируемого термостабилизатора, предназначение измерений и регулирования температуры теплоносителей в холодильной технике, сушильных шкафах и другом технологическом оборудовании.
  
  дипломная работа [862,6 K], добавлен 23.06.2011
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам