ВЕТ-система

Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания установки расходных резервуаров метанола.

Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча» и ООО НПО «Фундаментстройаркос». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.

Установка расходных резервуаров метанола. Общий вид

Климатические характеристики

Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23.7-22.9-14.4-8.2 0.0 9.9 15.7 12.0 5.7-4.2-15.2-20.9
Скорость ветра, м/с3.03.13.33.53.83.83.33.03.23.33.02.9
Высота снега, м0.530.620.680.650.28----0.080.250.40

Геокриологические условия

Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 1,0 ⁰С.

Установка расходных резервуаров метанола. Геология

Свойства грунтов приведены в таблице ниже.

Наименование
показателя
ОбозначениеЕд.измеренияНасыпной грунтИГЭ №131100.
Глина мерзлая
ИГЭ №130200.
Глина
ИГЭ №141000.
Суглинок мерзлый
ИГЭ №141100.
Суглинок мерзлый
ИГЭ №141000Э.
Суглинок мерзлый
ИГЭ №151000Э.
Супесь мерзлая
Физические свойства
Плотность грунта в сухом состоянииRdfкг/м³1740133014201870146019301930
Суммарная влажностьWtotд.е.0,180,3490,3070,140,280,1240,102
Степень засоленностиDsal%-0,062-0,0650,0660,0780,063
Число пластичностиIpд.е.-0,1930,1880,1040,1170,0990,055
Влажность на границе раскатыванияWpд.е.-0,2410,2390,1780,1920,1780,171
Теплофизические свойства
Температура начала замерзанияTbf⁰С-0,15-0,25-0,25-0,23-0,23-0,23-0,2
Теплопроводность талого грунтаλthВт/(м*К)2,321,571,491,531,551,541,61
Теплопроводность мерзлого грунтаλfВт/(м*К)2,731,761,71,741,771,741,78
Объемная теплоемкость талого грунтаCthМДж/м³2,633,183,142,763,032,722,48
Объемная теплоемкость мерзлого грунтаCfМДж/м³1,932,432,622,362,272,372,16
Коэффициенты кривой незамерзшей воды
Ww(t)= A + B / (C - t),
где t - температура, ⁰С
А-0,00130,14610,1360,05970,06850,05770,0356
B-0,00160,13410,15250,17070,10980,19990,1826
C-0,44520,5110,80411,89470,45112,78372,5503
Теплота фазового переходаQfМДж/м³-------
Строительные решения

Установка расходных резервуаров метанола представляет собой вертикальные резервуары объемов по V=2000 м3. Резервуары устанавливаются на свайный фундамент с обваловкой из блоков ФБС и засыпкой свай.

В резервуары поступает технологический продукт с температурой +37 ⁰С.

Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации. Сваи фундамента погружаются в грунт буроопускным способом. Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая. Скважина заполняется цементно-песчаным раствором. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру (зимой подогреть до 20 ⁰С). Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется цементно-песчаным раствором.

Установка расходных резервуаров метанола. Схема свай
Температурная стабилизация

Технические решения по температурной стабилизации предусматривают одновременное использование теплового экрана (теплоизоляция типа «Пеноплекс») и ВЕТ-системы.

Схема расположения тепловых экранов приведена на рисунке ниже.

Установка расходных резервуаров метанола. Схема теплоизоляции

Схема расположения контуров охлаждения ВЕТ-системы приведена на рисунке ниже.

Схема расположения ВЕТ
Установка расходных резервуаров метанола. Разрез ВЕТ

Прогноз температурного режима грунтов

Прогнозное моделирование осуществлялось с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов, РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.

Моделирование температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.

Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).

Этапы выполнения строительства

Расчет выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:

  • Первый этап – возведение насыпи.
    Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Для данных расчетов принят вариант возведения насыпи в конце зимнего периода мерзлым грунтом. Срок прогноза составлял о один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий.
  • Второй этап – период эксплуатации.
    Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации сооружения. Погружения свай и СОУ принято на момент 15 мая. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.
Адаптация условий теплообмена

Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.

Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с3,03,13,33,53,83,83,33,03,23,33,02,9
Теплоотдача, Вт/(м²*К)9,539,7710,2510,7311,4511,4510,259,5310,0110,259,539,29
Высота снега, м0,2200,2570,2820,2700,116----0,0330,1040,166
Плотность снега, кг/м³130136141147342----96109120
Теплопроводность снега, Вт/(м*К)0,1900,1980,2030,2110,562----0,1550,1670,179
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К)0,7920,7120,6720,7293,39911,45010,2509,53010,0103,2081,3800,967
Расчетная область

Модель расчетной области представляет собой параллелепипед с размерами 130 х 75 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке ниже.

Примечание: При правильном использовании симметрии, возможно значительное сокращение времени расчета. В данном примере симметрия не использовалась для большей наглядности представляемых результатов.

3D модель резервуаров с ВЕТ-системой
3D модель резервуаров с ВЕТ-системой 2

Схема расположения свай и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.

3D модель резервуаров с ВЕТ-системой 2D вид

На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие тепловое воздействие сооружения. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.

В местах установки резервуаров приняты пряничные условия 1-рода с температурой +37⁰С.

В расчете учтено тепловое влияние от свай при устройстве фундамента, как с подогревом бетона при бетонировании свай, так и с теплом, выделяемым при гидратации. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора М150 приведен на рисунке.

График тепловыделение раствора М150 (май)

Моделирование работы СОУ производится путем расчета значений внутренних стоков теплоты на основе конструктивных характеристик СОУ, описывающих их работу. Для описания СОУ задаются величины среднемесячных температур воздуха на уровне СОУ и коэффициента теплообмена с конденсаторных блоков СОУ, определяемых на основе скорости ветра на уровне конденсаторных блоков. Расчет теплоотдачи с единицы поверхности испарителя СОУ, ведется внутри программы на основе расчета теплового баланса по СОУ на каждом шаге итерации. При решении теплового баланса по СОУ на каждом шаге итерации также проверяются критерии запуска и остановки работы СОУ. Тепловые характеристики работы СОУ, эквивалентные постановки граничных условий теплообмена в аналогичных программах расчета приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с3,03,13,33,53,83,83,33,03,23,33,02,9
Коэф. теплоотдачи к поверхности конденсатора, Вт/(м²*К)22,1022,5123,3324,15-----23,3322,1021,69
Эффективный коэф. теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности испарителя, Вт/(м²*К)2,692,742,842,94-----2,842,692,64

Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 386х199х87 ячеек (6,7 млн. ячеек).

Результаты расчета

Результаты расчета приведены на рисунках ниже.

Трехмерное температурное поле на 15 октября 3-го года эксплуатации.

Трехмерное температурное поле ММГ в основании резервуаров с ВЕТ на 15.10.2002

Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.

Температурное поле грунтов на 15 мая 1-го года (начало эксплуатации).

Температуры ММГ в основании резервуаров с ВЕТ на 15.05.2000

Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года.

Температуры ММГ в основании резервуаров с ВЕТ на 15.10.2000

Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.

Температуры ММГ в основании резервуаров с ВЕТ на 15.10.2001

Температурное поле грунтов на 15 октября 3-го года.

Температуры ММГ в основании резервуаров с ВЕТ на 15.10.2002

Температурное поле совместно с распределением грунтов в основании резервуарного парка приведено на 15 октября 4-го года.

Температуры ММГ в основании резервуаров с ВЕТ на 15.10.2003

Расчетные температуры по термометрической скважине, расположенной под центром резервуара приведены в таблице.

Глубина, мТемпература грунта по термометрической скважине, ⁰С
На начало расчета
(15 мая)
На конец летних периодов (15 октября)
1 год2 год3 год
1,0-2,42-0,154,075,70
2,0-1,98-0,311,273,00
3,0-1,28-0,49-0,67-0,11
4,0-1,22-0,36-0,99-1,37
5,0-1,25-0,10-1,19-1,91
6,0-1,230,01-1,33-2,21
7,0-1,170,01-1,41-2,36
8,0-1,11-0,11-1,44-2,37
9,0-1,06-0,42-1,41-2,27
10,0-1,02-0,72-1,33-2,08
11,0-1,01-0,88-1,23-1,86
12,0-1,00-0,96-1,13-1,62
13,0-0,99-0,98-1,06-1,40
14,0-0,99-0,99-1,01-1,23
15,0-0,99-0,99-0,99-1,12

Время выполнения расчета модели, состоящей из 6,7 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:

  • На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 30 часов.
  • На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 2 часа 30 минут.

Выводы

Исходя из представленных расчетов можно сделать следующие выводы:

  • Из результатов расчетов виден значительный переток теплоты сквозь слой теплоизоляции по телу свай.
  • Тепловыделения от свай при заполнении свай цементно-песчаными раствором и гидратации цемента в процессе твердения при водит к повышению температур грунтов. Восстановление исходного температурного состояния, происходит по прошествии летнего сезона и с включением ВЕТ в работу.
  • В результате работы СОУ происходит промораживание грунтов и понижение температур грунтов. Компенсация теплового воздействия от свай фундамента и выполнение отсыпки талым грунтом происходи за 3 месяца работы ВЕТ.

Файлы для загрузки

Фалы примера доступны по ссылке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2 × 3 =