Исследование малотоннажных установок сжижения природного газа энтропийно-статистическим методом Красноносова Серафима Дмитриевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I Технологии малотоннажного производства спг и методы анализа их эффективности 14

1.1. Методы термодинамического анализа низкотемпературных систем

1.2. Сравнительный анализ существующих установок малотоннажного сжижения природного газа 21

1.3 Цели и задачи исследования 39

ГЛАВА II. Методика энтропийно-статистического анализа малотоннажных установок сжижения природного газа 41

2.1. Термодинамические основы 41

2.2. Определение исходных данных и основных характеристик рабочего цикла установки 42

2.3. Энтропийно-статистический анализ распределения затрат энергии в цикле установки сжижения природного газа 45

2.4. Особенности энтропийно-статистического анализа распределения затрат энергии цикла с предварительным охлаждением парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ) 49

Выводы по главе 53

ГЛАВА III. Результаты анализа существующих малотоннажных установок сжижения природного газа энтропийно-статистическим методом

3.1. Сопоставление результатов анализа эксергетическим и

энтропийно-статистическим методом классических циклов Линде Хемпсона и Капицы, применительно к сжижению природного газа 54

3.2. Установки с дроссельным циклом высокого давления и предварительным фреоновым охлаждением (в г. Петергоф и др.) 56

3.3. Установки с дроссельно-эжекторным циклом высокого давления и предварительным фреоновым охлаждением 61

3.3.1. С одной дроссель – эжекторной ступенью (в поселке Развилка Московской Области) 61

3.3.2. С двумя дроссель - эжекторными ступенями (серийно выпускаемые установки ОАО Криогенмаш на экспорт) 74

3.3.3. С одной дроссель–эжекторной ступенью, предназначенные для сжижения природного газа с содержанием низкокипящих компонентов до 9% 80

3.3.4. С дроссельно-эжекторной ступенью и предварительным охлаждением на температурном уровне -70С 84

3.3.5. Перспективная схема установки сжижения с одной дроссель – эжекторной ступенью и предварительным охлаждением каскадной холодильной машиной 88

3.4. Ожижитель природного газа с внешним азотным рефрижераторным детандерным циклом (ОАО Криогенмаш) 90

Выводы по главе 106

ГЛАВА IV. Экспериментальное исследование установки с дроссельно-эжекторным циклом и предварительным фреоновым охлаждением 112

4.1. Опытно-промышленная установка 112 Стр.

4.2. Измеряемые параметры, методика проведения эксперимента 115

4.3. Методика обработки и сопоставления полученных данных 117

4.4. Анализ полученных результатов. 124

Выводы по главе 126

ГЛАВА V. Экспериментальное исследование установки с дроссельно-эжекторным циклом и предварительным фреоновым охлаждением на температурном уровне -70С 128

5.1. Опытно-промышленная установка 128

5.2. Измеряемые параметры, методика проведения эксперимента. 130

5.3. Методика обработки и сопоставления полученных данных 131

5.4. Анализ полученных результатов. 134

Выводы по главе 138

Выводы 139

Список информационных источников

• Сравнительный анализ существующих установок малотоннажного сжижения природного газа
• Энтропийно-статистический анализ распределения затрат энергии в цикле установки сжижения природного газа
• Установки с дроссельно-эжекторным циклом высокого давления и предварительным фреоновым охлаждением
• Методика обработки и сопоставления полученных данных

Введение к работе

Актуальность работы: Получение сжиженного природного газа (СПГ) является сегодня одним из перспективных направлений развития российской промышленности. В 2009 году на Сахалине совместно с зарубежными компаниями был построен первый крупнотоннажный завод по сжижению природного газа «Сахалин-2» мощностью 26300 тонн СПГ в сутки. В настоящее время находятся на стадии планирования и разработки еще несколько крупнотоннажных заводов: «Владивосток СПГ» на полуострове Ломоносова, «Балтийский СПГ» в Ленинградской области, «Ямал СПГ» на Ямале. Производительность таких заводов составляет 1100-1800 тонн СПГ в час. Получаемый на этих заводах СПГ рассчитан на удовлетворение экспортных потребностей.

В то же время с каждым днем растет интерес к малотоннажному производству сжиженного природного газа. В России существует развитая трубопроводная система природного газа, включающая в себя ряд автомобильных газонаполнительных компрессионных (АГНКС) и газораспределительных (ГРС) станций. Компрессорная база этих станций мало загружена (до 20%). Станции расположены в непосредственной близости от потребителя природного газа. Поступающий природный газ содержит 95-98% метана. Все эти факторы создают хорошие предпосылки для создания малотоннажных установок сжижения природного газа непосредственно на АГНКС и ГРС и на местах его потребления в российских регионах.

Интенсивное строительство малотоннажных установок сжижения природного газа по всему миру началось после 2000 г., однако наиболее ускоренный рост наблюдается с 2010-2014гг. На данный момент Россия занимает 3 место по количеству введенных в эксплуатацию установок. Развитие малотоннажного производства сжиженного природного газа активно поддерживается программами Правительства РФ. Нельзя забывать о

! 1! !

незаменимой роли малотоннажного производства при использовании СПГ на железнодорожном, морском и авиационном транспорте.

В связи с увеличивающимся интересом к теме малотоннажного сжижения регулярно появляются новые схемы и решения. Для совершенствования установок сжижения природного газа важно иметь возможность определять узлы этих установок, в которых «потери» энергии наиболее существенны, и работать над повышением эффективности этих узлов. В МГТУ им. Баумана активно разрабатывается метод энтропийно-статистического анализа, который позволяет детально анализировать криогенные установки и решать такого рода задачи. Предложенная в настоящей работе методика анализа малотоннажных установок сжижения природного газа дает возможность применить энропийно-статистический метод для исследования существующих и проектируемых установок с целью определения их энергоэффективности. Перспективность применения предложенной методики для определения новых схемных решений сжижения природного газа делают ее актуальной.

Целью работы является разработка методики исследования термодинамической эффективности и распределения энергетических «потерь» в малотоннажных установках сжижения природного газа, применение этой методики для анализа существующих и вновь разрабатываемых установок, а также экспериментальное подтверждение расчетных данных.

Основные задачи исследования

1. Разработка методики энтропийно-статистического анализа для исследования малотоннажных установок сжижения природного газа.

2. Исследование и сравнение термодинамической эффективности существующих малотоннажных установок сжижения природного газа.

3. Анализ и оценка влияния величины производства энтропии в

отдельных узлах установки на термодинамическую эффективность системы

сжижения.

2! !

!

Актуальность работы: Получение сжиженного природного газа (СПГ) является сегодня одним из перспективных направлений развития российской промышленности. В 2009 году на Сахалине совместно с зарубежными компаниями был построен первый крупнотоннажный завод по сжижению природного газа «Сахалин-2» мощностью 26300 тонн СПГ в сутки. В настоящее время находятся на стадии планирования и разработки еще несколько крупнотоннажных заводов: «Владивосток СПГ» на полуострове Ломоносова, «Балтийский СПГ» в Ленинградской области, «Ямал СПГ» на Ямале. Производительность таких заводов составляет 1100-1800 тонн СПГ в час. Получаемый на этих заводах СПГ рассчитан на удовлетворение экспортных потребностей.

В то же время с каждым днем растет интерес к малотоннажному производству сжиженного природного газа. В России существует развитая трубопроводная система природного газа, включающая в себя ряд автомобильных газонаполнительных компрессионных (АГНКС) и газораспределительных (ГРС) станций. Компрессорная база этих станций мало загружена (до 20%). Станции расположены в непосредственной близости от потребителя природного газа. Поступающий природный газ содержит 95-98% метана. Все эти факторы создают хорошие предпосылки для создания малотоннажных установок сжижения природного газа непосредственно на АГНКС и ГРС и на местах его потребления в российских регионах.

Интенсивное строительство малотоннажных установок сжижения природного газа по всему миру началось после 2000 г., однако наиболее ускоренный рост наблюдается с 2010-2014гг. На данный момент Россия занимает 3 место по количеству введенных в эксплуатацию установок. Развитие малотоннажного производства сжиженного природного газа активно поддерживается программами Правительства РФ. Нельзя забывать о

! 1! !

незаменимой роли малотоннажного производства при использовании СПГ на железнодорожном, морском и авиационном транспорте.

В связи с увеличивающимся интересом к теме малотоннажного сжижения регулярно появляются новые схемы и решения. Для совершенствования установок сжижения природного газа важно иметь возможность определять узлы этих установок, в которых «потери» энергии наиболее существенны, и работать над повышением эффективности этих узлов. В МГТУ им. Баумана активно разрабатывается метод энтропийно-статистического анализа, который позволяет детально анализировать криогенные установки и решать такого рода задачи. Предложенная в настоящей работе методика анализа малотоннажных установок сжижения природного газа дает возможность применить энропийно-статистический метод для исследования существующих и проектируемых установок с целью определения их энергоэффективности. Перспективность применения предложенной методики для определения новых схемных решений сжижения природного газа делают ее актуальной.

Целью работы является разработка методики исследования термодинамической эффективности и распределения энергетических «потерь» в малотоннажных установках сжижения природного газа, применение этой методики для анализа существующих и вновь разрабатываемых установок, а также экспериментальное подтверждение расчетных данных.

Основные задачи исследования

4. Разработка методики энтропийно-статистического анализа для исследования малотоннажных установок сжижения природного газа.

5. Исследование и сравнение термодинамической эффективности существующих малотоннажных установок сжижения природного газа.

6. Анализ и оценка влияния величины производства энтропии в

отдельных узлах установки на термодинамическую эффективность системы

сжижения.

2! !

!

4. Экспериментальное определение реальной термодинамической эффективности опытно-промышленных установок сжижения природного газа и сопоставление полученных результатов с расчетными значениями.

5. Выбор наиболее энергоэффективного цикла для малотоннажного сжижения природного газа и определение пути его дальнейшего совершенствования.

Научная новизна

1. Впервые предложена методика энтропийно-статистического анализа для исследования существующих и разрабатываемых малотоннажных установок сжижения природного газа.

2. Выполнен анализ основных существующих и перспективных схем установок малотоннажного сжижения природного газа. Показана эффективность замены дросселя на дроссель-эжектор в установках, работающих по циклу высокого давления. Предложен новый цикл с дроссель-эжектором и каскадным охлаждением.

3. Впервые получено экспериментальное подтверждение соответствия расчетных значений энергетических «потерь» реальным затратам в узлах действующих установок сжижения природного газа. Расхождение результатов расчетов со значениями, полученными экспериментально, находятся в пределах 5%.

Защищаемые положения

4. Методика энтропийно-статистического анализа для исследования установок сжижения природного газа.

5. Результаты расчетного исследования существующих и перспективных установок сжижения природного газа.

6. Результаты экспериментальных исследований опытно-промышленных установок сжижения природного газа.

!

Личное участие в получении результатов

Главы 1-4 выполнены лично автором. В главе 5 экспериментальные данные получены ЗАО НПК «НТЛ». Все расчеты и выводы главы 5 сделаны лично автором.

Достоверность полученных автором результатов

Достоверность полученных автором данных подтверждается применением сертифицированных измерительных приборов, использованием проверенных способов измерения параметров и методик проведения экспериментов. Все полученные данные могут быть повторно воспроизведены в результате эксперимента.

Практическая значимость

В проведенном исследовании анализируется ряд существующих малотоннажных установок сжижения природного газа. На конкретных примерах показано, что предложенная методика позволяет решить ряд конкретных задач на стадии проектирования низкотемпературных установок сжижения природного газа, включая определение эталонного значения величины термодинамической эффективности установки. Она дает возможность анализировать и определять вероятные величины реальных (действительных) энергетических «потерь» в результате необратимости, идентифицировать узлы и компоненты установок, которые требуют усовершенствования, и в итоге прогнозировать технические и экономические характеристики проектируемых установок. В связи с проблемами глобального потепления и увеличением стоимости электроэнергии в мире, проблема энергосбережения становится более важной, и энтропийно-статистический метод предлагает способ частичного решения этой проблемы на начальной стадии проектирования.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на 11-й

международной криогенной конференции МИХ (Братислава, 2010 г.), 2-й

международной конференции «ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГАЗЫ» (Москва,

4! !

!

2011 г.) и на международной конференции «Сжиженный природный газ» в рамках выставки «Криоген-Экспо. Промышленные газы - 2015» (Москва, 2015 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 4 в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, общим объемом 1,74 п.л..

Объём и структура работы

Диссертационная работа состоит из пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы (83 наименования) и приложения. Работа содержит 139 страниц текста, 50 иллюстраций, 26 таблиц и приложение на 23 страницах.

Сравнительный анализ существующих установок малотоннажного сжижения природного газа

При анализе энергосистем можно применять различные методы исследования. Для установок сжижения природного газа основными методами анализа являются энтропийно-статистический метод, разработанный А.М. Архаровым [2, 5, 6], и эксергетический метод, разработанный В.М. Бродянским [11]. Выбор метода исследования зависит от конкретной анализируемой системы и решаемой задачи. Примерами таких задач может быть генерация холода, генерация работы (электроэнергии), криостатирование, ожижение газов и многие другие.

Если целью рассматриваемой задачи является генерация работы (электроэнергии), то применение понятия эксергии, определяющую работоспособность теплоты, является рациональным. Если целью рассматриваемой задачи является генерация холода, то логичнее использовать понятие энтропии, производство которой должно быть компенсировано затратой энергии (работой, теплотой, электроэнергией). В этом случае, как было показано в [4], использование понятия «эксергии холода», отнесенное к теплоте, которую может воспринять сток, нерационально в едином термодинамическом пространстве, потому что это искажает изначальное значение термина, данное Рантом в 1956г. Введение такого термина значительно усложняет применение эксергетического анализа для низкотемпературных систем. Если же генерация холода осуществляется за счет затрат высокопотенциальной теплоты, то эксергетический вариант анализа можно рассматривать как рабочий инструмент.

В работе [82] отмечено, что термодинамической мерой качества системы для низкотемпературного охлаждения и ожижения является обратимость ее процессов. Определение величины увеличения энтропии является эффективным способом определения степени необратимости в тех или иных процессах. Для более наглядного представления роли возрастания энтропии, ее производство связывают с дополнительной работой, которую необходимо затратить, чтобы компенсировать необратимость процессов. В [82] приведено сравнение нескольких систем для ожижения воздуха на основе этого принципа.

Анализ технических систем с использованием метода потоков эксергии сводится к рассмотрению либо всей системы, либо ее части, ограниченной замкнутой контрольной поверхностью от других систем или объектов (или других частей этой же системы) и к определению всех проходящих через эту поверхность потоков эксергии. При использовании эксергетического метода необходимо определять все потоки эксергии в рассматриваемой системе. Это не всегда возможно.

Энтропийный метод термодинамического анализа позволяет упростить расчет степени совершенства энергетических объектов, так как при его использовании отпадает необходимость определения всех потоков эксергии. При известном или рассчитанном значении первичной организованной энергии, выработанную организованную энергию или эксергию теплоты получают путем единообразного вычитания от вводимой энергии энергетических «потерь», имеющих место во всех узлах и элементах объекта. Все «потери» вычисляются как произведение температуры окружающей среды на величину производства энтропии и затем суммируются, либо вычисляются сразу; суммарная «потеря» определяется как произведение температуры окружающей среды на сумму производства энтропий всех тел, участвующих во всех процессах исследуемой системы (или ее части).

Впервые принцип возрастания энтропии в реальных (необратимых) процессах превращения энергии сформулировал Р. Клаузиус в своих работах. Клаузиус ввел понятие суммарного приращения энтропии системы, которую он назвал «потерей работоспособности» [46]. Положительными он считал приращения, которые происходят сами собой и не требуют затрат работы, а отрицательными - которые не могут протекать самопроизвольно. Для любого обратимого цикла в едином термодинамическом пространстве вне зависимости от направления протекающих процессов и физических свойств рассматриваемых объектов интеграл по замкнутому контуру будет равен нулю: Именно величина S = С была названа энтропией, из которой было дано выражение для теплоты: dq = TdS. Тогда же было показано, что энтропия любого тела зависит только от параметров состояния и является однозначной, непрерывной и конечной функцией этих параметров. В расчете всегда фигурирует изменение энтропии при переходе из одного состояния в другое, а численное значение отсчитывается от принятого начального значения. Таким образом, энтропию можно рассматривать, как свойство объекта в том или ином состоянии. Это уникальное свойство было положено в основу энтропийного анализа. В то же время эксергия свойством рассматриваемого тела не является, так как зависит еще и от температуры стока теплоты, которая может быть любой. В этом заключается неоднозначность определения эксергии и ее применения для анализа низкотемпературных систем.

Ж. Гюи [56] и А. Стодола [81] получили схожее с Клаузиусом выражение для необратимых поточных процессов. Развитие термодинамики в конце девятнадцатого века и в первой половине двадцатого века, начавшееся работами В. Нерста [68], обосновавшего третье начало термодинамики, и М. Планка [72], позволило разработать принципы и методы анализа энергетических установок. Целью термодинамического анализа любой установки является оценка ее совершенства и определение путей снижения энергетических затрат на достижение необходимого результата.

Д.П.Гохштейном в [14-16] был предложен «энтропийный метод» расчета «потерь» на основе метода вычитаний Клаузиуса. При использовании энтропийного метода достаточно определить затрачиваемую работу только на входе в систему. Автор, используя свойство аддитивности энтропии, предлагает из рассчитанной входной работы, вводимой в исследуемую систему, вычитать все «потери», определяемые по отдельности. Энтропийный метод дает возможность количественно учесть переход вводимой в систему энергии в затраты на производство энтропии в каждом отдельно взятом узле системы.

Как показано в [38], работа любой реальной машины сопровождается увеличением энтропии, потому что неизбежно протекание необратимых процессов. Это в свою очередь приводит к увеличению затраченной теплоты и, соответственно, по первому началу термодинамики, к уменьшению произведенной работы. Таким образом, сумма энтропий всех компонентов установки возрастает в результате необратимости. Этот принцип положен в основу энтропийно-статистического анализа.

Энтропийно-статистический анализ распределения затрат энергии в цикле установки сжижения природного газа

Использование при анализе эффективности процесса адиабатного сжатия требует учета несовершенства процесса передачи тепла сжатия путем введения дополнительного слагаемого в правой части уравнения (2.16). Изменение энтропии в концевом холодильнике (аппаратах воздушного охлаждения - АВО, конденсаторах ПКХМ): SK.х. — к х — -Бкхы х вХ (2.17) где q к.х. - тепловая нагрузка концевого холодильника (теплота сжатия или конденсации), Asкв ых х ex - изменение энтропии рабочего тела (ПГ, хладон и др.) в концевом холодильнике. Суммарная работа, затрачиваемая на компенсацию производства энтропии в контуре ПГ: !!ПГ = !оо!! + !!"#! + !! - !!"# охл., (2.18) где !оо!! – суммарные затраты энергии на компенсацию производства энтропии в узлах контура ПГ (таких как теплообменник, дроссель, эжектор, сепаратор-смеситель, др.), вычисляемые по уравнениям (2.8), (2.9), (2.10), (2.12), !! – затраты энергии на компенсацию теплопритоков из окружающей среды и недокуперации, определяемые согласно уравнениям (2.13) и (2.14), !!"#!, !!"# охл. – минимальная работа ожижения и минимальная работа предварительного охлаждения, вычисляемые по уравнению (2.4).

Мерой достоверности расчета является величина разности энергии, вырабатываемой компрессором (изотермическая или адиабатная работа сжатия, определяемая уравнениями (2.15), (2.16)), и затрачиваемой на генерацию энтропии (суммарные теоретические «потери», определяемые уравнением (2.18)). = !из.,ад. - !!ПГ . Расхождение результатов вычислений не должно превышать величины вклада наименьшей составляющей правой части уравнения (2.18) в общий энергетический баланс системы. Как правило, наименьший вклад вносит «потери» от теплопритоков из окружающей среды; его величина не превышает 1-2%.

Особенности энтропийно-статистического анализа распределения затрат энергии цикла с предварительным охлаждением парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ)

Исходные данные для определения характеристик цикла ПКХМ: - начальная температура метана на входе в испаритель ХМ Тх.нач (определяется на этапе расчета основных параметров в характерных точках цикла ожижения ); - конечная температура метана на выходе из испарителя ХМ Тх.кон (определяется также на этапе расчета основных параметров в характерных точках цикла ожижения ).

Для выбранного типа хладона определяется средняя температура в испарителе Tи (теплообменнике полезной нагрузки). При этом давление кипения хладона выбирается минимальным, но, по требованиям безопасности, величиной не менее атмосферного. Средняя температура конденсации определяется типом выбранного хладона и абсолютной максимальной температурой теплого периода года для данной местности [36] с учетом недорекуперации T=5..10 К.

Далее по исходным данным определяются параметры цикла ПКХМ в характерных точках согласно алгоритму, изложенному в п. 2. На данном этапе все расчеты удобнее привести к 1 кг хладагента, сжимаемого в компрессоре ПКХМ.

Степень термодинамического совершенства цикла ПКХМ: Величина холодильного коэффициента: - при адиабатном сжатии: !х = !х!.ап одлн!, - действительный холодильный коэффициент: !х.действ = х!.спжолн!. Для приведения затрат энергии в контуре внешнего холодильного цикла к затратам в метановом контуре необходима величина соотношения расходов природного газа и внешнего хладагента. Необходимый расход хладагента определяется следующим образом:

Величина тепловой нагрузки определяется на стадии определения основных характеристик рабочего процесса путем решения уравнений энергетического и материального баланса ступени предварительного охлаждения [5, 40]. При использовании программного комплекса Hysys, отношение расходов определяется при сходимости расчета цикла. Затраты работы в ПКХМ: где 1т\похл. - величина минимальной работы предварительного охлаждения ПГ; определяется по зависимости (2.4), при этом (sex — sвых) — изменение энтропии и (івх — івых) - изменение энтальпии ПГ в испарителе ПКХМ. Величина изменения энтропии при теплообмене в конденсаторе и испарителе ПКХМ определяется по уравнению (2.17). В случае реализации процесса при постоянной разности температур это уравнение упрощается: исп.,конд Чисп.,конд {Іг-ігХ (2.21) где Чисп.,конд – тепловая нагрузка испарителя или конденсатора, ТХ -температура кипения хладона (для испарителя) или окружающей среды ГОС (для конденсатора), ТГ - средняя температура ПГ (для испарителя) или конденсации хладона (для конденсатора). Суммарная работа, затрачиваемая на компенсацию производства энтропии в контуре ПКХМ: где DrooASj - суммарные затраты энергии на компенсацию производства энтропии в узлах контура предварительного охлаждения ПКХМ (таких как испаритель, конденсатор, дроссель), вычисляемые по уравнениям (2.21), (2.9); Alt - затраты работы на компенсацию теплопритоков к контуру предварительного охлаждения, вычисляемые по уравнению (2.13); 1т\похл. - величина минимальной работы предварительного охлаждения ПГ, определяется по зависимости (2.4).

Установки с дроссельно-эжекторным циклом высокого давления и предварительным фреоновым охлаждением

Представляет интерес анализ влияния температуры предварительного охлаждения на термодинамическую эффективность цикла установки. В связи с этим было проведено исследование установки с дроссель-эжекторным циклом и предварительным фреоновым охлаждением до уровня -70С. В нижней ступени для охлаждения природного газа до температур 200-210К был использован фреон R23, который в свою очередь охлаждался верхней ветвью каскада, работающей на фреоне R404A. Применение двух ветвей фреона позволяет снизить «потери» в испарителе ПКХМ (поз.VI Рис. 3.14). Такая установка с предварительным охлаждением до -70С работает на базе АГНКС в г. Первоуральск Свердловской области. Принципиальная схема установки приведена на Рис. 3.14. Более подробное описание установки представлено в главе 5, где приводятся экспериментальные данные по ее работе.

Принципиальная схема опытно-экспериментальной установки с дроссель-эжекторным циклом высокого давления и предварительным фреоновым охлаждением на температурном уровне -70С: I – компрессор ПГ с системой отвода теплоты сжатия qсж; II – теплообменник №1 (предварительный); III – парокомпрессионная холодильная машина, работающая на R404А (К – компрессор R404А; К.Х – концевой холодильник; КОН – конденсатор; Др – дроссель); IV – испаритель R404А, конденсатор R23; V – холодильная машина, работающая на R23 (К – компрессор R23; К.Х – концевой холодильник; Рек. – рекуператор; Др – дроссель); VI – теплообменник №2 (испаритель R23); VII – теплообменник №3 (основной); VIII – эжектор; IX – сепаратор; X – дроссель; XI – хранилище СПГ Характерные точки контуров метана и фреона представлены в Таблице 8. Таблица 8. Параметры в характерных точках цикла установки с дроссель-эжекторным циклом и предварительным фреоновым охлаждением на температурном уровне -70С

Схематическое изображение распределения затрат энергии по элементам установки с дроссель-эжекторной ступенью и предварительным охлаждением на температурном уровне -70С 3.3.5. Перспективная схема установки сжижения с одной дроссель – эжекторной ступенью и предварительным охлаждением каскадной холодильной машиной

Наиболее реальные пути для повышения термодинамической эффективности малых установок ожижения природного газа (Рис. 3.3 и Рис. 3.7) открываются при уменьшении производства энтропии при сжатии рабочих тел, и при использовании для предварительного охлаждения холодильных машин каскадного типа или машин, работающих на смесях холодильных агентов, обеспечивающих уменьшение разности температур охлаждаемого метана и рабочего тела холодильного цикла. На основе анализа полученных данных была предложена перспективная схема с одной дроссель-эжекторной ступенью и предварительным охлаждением каскадной холодильной машиной. Принципиальная схема установки показана на Рис. 3.16.

Расчет установки был проведен для начальных условий, применявшихся для расчета цикла с предварительным охлаждением на температурном уровне -70С в пункте 3.3.4. Предварительное охлаждение природного газа контуром R22 осуществлялось до 238К, а контуром R23 до 203К. Степень сжатия рассматриваемого цикла: pнг/pвс=22,0/1,15=19,13 (pвс=1,15 МПа). Результаты расчета представлены в главе 5 и Таблице 19 приложения (столбец 8).

Принципиальная схема установки в дроссель-эжекторным циклом высокого давления и каскадным фреоновым охлаждением: I – компрессор ПГ с системой отвода теплоты сжатия qсж; II – теплообменник №1 (предварительный); III – парокомпрессионная холодильная машина, работающая на R22 (К – компрессор R22; К.Х – концевой холодильник; КОН – конденсатор; Др – дроссель); IV – теплообменник №21 (испаритель R22, конденсатор R23); V – холодильная машина, работающая на R23 (К – компрессор R22; Др – дроссель); VI – теплообменник №22 (испаритель R23); VII – теплообменник №3 (основной); VIII – эжектор; IX – сепаратор; X – дроссель; XI – хранилище

Как было показано ранее в пункте 1.1, циклы с внешним азотным охлаждением имеют ряд преимуществ при организации малотоннажного сжижения природного газа. В соответствии с [23] такого рода установки занимают втрое место по количеству существующих в мире малотоннажных установок. По этой причине была исследована установка для получения жидкого природного газа, производительностью 7 т/ч. Схема установки показана на Рис. 3.17.

Расчет установки был проведен для начальных условий, применявшихся для расчета цикла с предварительным охлаждением на температурном уровне -70С в пункте 3.3.4. Предварительное охлаждение природного газа контуром R22 осуществлялось до 238К, а контуром R23 до 203К. Степень сжатия рассматриваемого цикла: pнг/pвс=22,0/1,15=19,13 (pвс=1,15 МПа). Результаты расчета представлены в главе 5 и Таблице 19 приложения (столбец 8). Рис. 3.17. Принципиальная схема малотоннажной ожижительной установки с азотным циклом охлаждения, разработанной ОАО «Криогенмаш»: I – компрессор ожижаемого потока ПГ с системой отвода теплоты сжатия qсж1; II – компрессор циркуляционного потока азотного контура с системой отвода теплоты сжатия qсж2; III – компрессор сжатия утечек от осевых уплотнений азотного контура с системой отвода теплоты сжатия qсж3; IV – система очистки от CO2; V – IХ теплообменники №№1-5; X – испаритель холодильной машины (фреон R22); XI – охладитель;XII – турбодетандер компрессорный агрегат ТДКА; XIII – дроссель № 2; XIV – дроссель №3; XV – дроссель №1 Таблица Состав Объемная доля, %

Методика обработки и сопоставления полученных данных

С учетом внесенных изменений в расчетные значения эксперимента на Рис. 4.6 можно видеть, что энергетические затраты оказались ниже, чем значения, полученные в общем расчете, приведенном в пункте 3.3.1.

В теплообменном аппарате №1 значения энергетических затрат, полученных экспериментальным методом, значительно ниже расчетных значений. Это обусловлено тем, что и в общем, и в уточненном расчете было принято, что природный газ предварительно охлаждается с уровня температуры окружающей среды ЗООК. Это температура излучения Земли в космическое пространство и традиционно используется для научных расчетов, но она является завышенной для Московской области, где находится установка.

Также важно В связи с этим логично, что нагрузка на теплообменник №1 и, соответственно, энергетические «потери» были ниже в реальности, так как природный газ охлаждается с более низкого температурного уровня.отметить, что в эксперименте температура газа на входе в установку была всегда выше температуры окружающей среды, в то время как в расчете эти две температуры были равны. Чем меньше разница между этими температурами (А на Рис. 4.9), тем ближе экспериментальные значения были к расчетным значениям (эксп. 2 и 4).

Соотношение температуры природного газа на входе в установку (Твх) и температуры окружающей среды (Тос), К. Наибольшая нагрузка по охлаждению природного газа приходится на теплообменный аппарат № 2. Расхождения расчетных и экспериментальных значений в эксп. 1, 3, 5 и 6 также объясняются разницей между температурой входного газа и окружающей среды (А). По предложенной в главе 2 методике недокуперация в теплообменных аппаратах №1 и №2 была принята на уровне 10К и 5К соответственно. По полученным экспериментальным данным недокуперация в теплообменном аппарате №1 составляет 1-2К, что значительно ниже принятого статистического значения. Это может говорить о неполной тепловой нагрузке аппарата. Недокуперация в теплообменном аппарате №2 по результатам эксперимента составляет 2-6К, что хорошо коррелируется со статистическим значением в 5К, принятым для расчета. Наибольшие энергетические «потери» в установке сжижения природного газа, не считая затрат на сжатие в компрессоре, происходят в дроссель-эжекторе. В результате экспериментального расчета энергетические «потери» в этом узле оказались на 1.2-3.2% выше, чем было получено в общем расчете.

Энергетические «потери» в дросселе в результате экспериментального расчета оказались в два раза меньше, чем значения в общем расчете, что объясняется более высоким давлением отгрузки во время эксперимента. Экспериментальные значения «потерь» для этого узла получились близки к расчетным в пределах 0.3% от общих затрат.

Значения минимальной работы охлаждения в общем и экспериментальном расчете оказались равны. Экспериментальное значение получилось в два или более раза меньше, что связано с охлаждением природного газа с более низкого температурного уровня. По той же причине экспериментальные значения минимальной работы ожижения оказались до 8% от общих затрат ниже, чем расчетные (и до 10% от общих затрат ниже, чем в общем расчете).

Снижение давления сжатия на 5МПа в экспериментальном расчете привело к снижению энергетических «потерь» в компрессоре на 4%. Полученные экспериментальные значения работы сжатия оказались на 11% ниже, чем расчетные, так как сжатие происходит на более низком температурном уровне.

Расхождение расчетных и экспериментальных составляет менее 5%, что говорит о том, что можно успешно использовать предложенную методику для анализа установок сжижения природного газа.

Экспериментальные данные подтвердили распределение энергетических «потерь» в результате необратимости по основным узлам установки. Наибольшие «потери» происходят в дроссель-эжекторном узле и составляют 21,8%. Но, как можно видеть по проведенному анализу в пунктах 3.2 и 3.3.1 и на Рис. 3.18, введение дроссель-эжектора в цикл привело к снижению общих затрат на дросселирование на 1,7% от общих затрат. Таким образом, удалось повысить эффективность цикла ожижения путем внедрения дешевого, простого и надежного устройства.

Экспериментальные значения затрат энергии также показали стабильность работы установки, так как полученные значения во всех узлах установки близки между собой и к расчетным величинам.

На основе полученных данных можно также утверждать, что расчет установки сжижения природного газа на чистом метане дает достаточно близкие значения распределения энергетических затрат по элементам промышленной установки. Это упрощает расчет проектируемых установок и позволяет проводить близкий к реальности анализ.