Повышение энергоэффективности установок регазификации жидких криопродуктов Агейский Дмитрий Эдуардович

Содержание к диссертации

Введение

1. Регазификация жидких криопродуктов 10

1.1. Описание области исследования 10

1.2. Обзор научных исследований по утилизации отбросной энергии

1.2.1. Исследовательские работы по утилизации отбросной энергии 12

1.2.2. Анализ научно-исследовательских разработок в области регазификации 14

1.3. Анализ разработок, защищенных патентными правами 15

1.3.1. Существующие стандартные схемы регазификации жидких криопродуктов15

1.3.2. Схемы регазификации жидкого криопродукта с утилизацией теплоотводящей способности 17

1.3.3. Системы регазификации с выработкой электроэнергии при расширении криопродукта 20

1.3.4. Результаты научных разработок систем регазификации 22

1.4. Теоретические основы анализа способов регазификации 23

1.4.1. Современные подходы в исследовании термодинамической эффективности23

1.4.2. Дополнительные затраты энергии и эксергетический КПД 30

1.4.3. Обзор способов утилизации теплоотводящей способности регазифицируемого криопродукта с выработкой электроэнергии 31

1.5. Выводы по главе «Регазификация жидких криопродуктов» 37

2. Эксергетический анализ способов регазификации жидких криопродуктов 38

2.1. Объекты и методика исследования 38

2.2. Система регазификации с погружным змеевиком

2.2.1. Математическая модель рабочих процессов 39

2.2.2. Расчетная модель системы регазификации с погружным змеевиком 42

2.2.3. Расчет параметров эффективности установки 43

2.3. Система регазификации с погружным змеевиком и газотурбинным генератором

2.3.1. Математическая модель рабочих процессов 45

2.3.2. Расчетная модель системы регазификации с погружным змеевиком и газотурбинным генератором 49

2.3.3. Расчет параметров эффективности установки 50

2.4. Система регазификации с органическим циклом Ренкина и газотурбинным генератором 52

2.4.1. Математическая модель рабочих процессов 52

2.4.2. Расчетная модель системы регазификации с органическим циклом Ренкина56

2.4.3. Критерии выбора рабочего вещества и компоновки схемы установки 56

2.4.4. Сравнение установок ORC на выбранных рабочих веществах 62

2.5. Система регазификации с замкнутым циклом Брайтона и газотурбинным генератором 65

2.5.1. Математическая модель рабочих процессов 65

2.5.1. Расчетная модель системы регазификации с замкнутым циклом Брайтона 68

2.5.2. Критерии выбора рабочего вещества и компоновки схемы установки с циклом Брайтона 69

2.5.3. Критерии выбора рабочего тела и его параметров 73

2.5.4. Расчет параметров эффективности установки 79

2.6. Система регазификации с ВРУ, органическим циклом Ренкина и газотурбинным генератором 80

2.6.1. Процессы и аппараты установки регазификации с воздухоразделением 81

2.6.2. Математическая модель рабочих процессов 89

2.6.3. Расчет параметров эффективности установки 98

2.7. Регазификация с получением сжиженных углеводородных газов 101

2.7.1. Описание процесса совмещения регазификации и газофракционирования101

2.7.2. Расчет параметров эффективности установки

2.8. Сравнительный анализ способов утилизации холода регазификации. 107

2.9. Выводы по главе «Эксергетический анализ способов регазификации жидких криопродуктов» 113

3. Анализ операционных и капитальных затрат 114

3.1. Использование расчетных моделей для анализа экономической эффективности 114

3.2. Анализ операционных затрат современных способов регазификации 115

3.2.1. Стоимость сырья и продуктов установок регазификации 117

3.3. Анализ капитальных затрат на создание установок регазификации 122

3.3.1. Методика оценки стоимости основного оборудования установок регазификации 123

3.3.2. Анализ стоимости основного оборудования исследуемых установок регазификации 1 3.4. Результаты анализа операционных и капитальных затрат. Сроки окупаемости131

3.5. Выводы по главе «Анализ операционных и капитальных затрат» 133

4. Модернизация малотоннажных объектов регазификации СПГ 134

4.1. Сравнительный анализ энергетических и экономических параметров эффективности для установок регазификации 134

4.2. Анализ особенностей применения способов с циклами Брайтона и Ренкина для задач модернизации СПХР

4.2.1. Модернизация СПХР с использованием цикла Брайтона 135

4.2.2. Модернизация СПХР с использованием открытого цикла Ренкина 140

4.3. Математическая и расчетная модели рабочих процессов в установке с открытым

циклом Ренкина 142

4.4. Анализ параметров установки-прототипа с использованием расчетной модели 146

4.5. Анализ эффективности установок регазификации с атмосферными испарителями 152

4.6. Выводы по главе «Модернизация малотоннажных объектов регазификации СПГ» 156

Заключение 158

Список использованной литературы

• Схемы регазификации жидкого криопродукта с утилизацией теплоотводящей способности
• Расчет параметров эффективности установки
• Стоимость сырья и продуктов установок регазификации
• Анализ особенностей применения способов с циклами Брайтона и Ренкина для задач модернизации СПХР

Введение к работе

Актуальность темы исследования обуславливается ростом объемов потребления сжиженного природного газа (СПГ) и других криопродуктов, потребление СПГ и ряда жидких криопродуктов возможно только после регазификации. Растущий спрос на технику и технологии регазификации определяет актуальность исследований и опытно-конструкторских работ в этом направлении.

При регазификации криопродуктов возникает проблема энергообеспечения процесса. Анализ литературных источников показывает, что число работ, посвященных оптимизации процесса регазификации, относительно мало. Такая ситуация объясняется недооценкой энергозатрат при регазификации криопродуктов. Из-за несовершенства большинства современных технологий энергетический потенциал криопродукта – теплоотводящая способность – не используется. Утилизация теплоотводящей способности позволяет вернуть в оборот часть энергии, затраченной при его производстве, существенно повысив рентабельность использования жидких криопродуктов.

Регазификация требует больших затрат энергии (750 кДж/кг для СПГ). Использование технологий, утилизирующих теплоотводящую способность криопро-дуктов, позволяет не только избежать при регазификации затрат энергии, но и вернуть в хозяйственный оборот часть энергии (250 кДж/кг для СПГ). Многообразие возможных вариантов технологий регазификации делает актуальными исследования, обосновывающих наиболее перспективные технологии.

Энергосберегающие технологии регазификации используются в крупнейших странах-импортерах криопродуктов – Китае, Японии, Южной Корее и др. Растут объемы использования СПГ и в России. Разрабатывается проект снабжения СПГ Калининградской области. Развитие сферы потребления криопродуктов требует научного сопровождения.

Степень разработанности темы

Различным аспектам техники и технологии регазификации криопродуктов посвящены работы Agarwal R., Babaie M., Bisio G., Casarosa C., Franco A., Otsuka T., Stougie L., Tagliafico L., van der Kooi H.J., Л.А. Акулова, А.М. Архарова, А.В. Зайцева, Н.Н. Осипова, М.В. Павлутина, А.В. Рулева, А.А. Феоктистова, А.Ю. Фролова и др.

В большинстве работ описывается регазификация криопродуктов в атмосферных и грунтовых испарителях. Эффективность таких испарителей зависит от климатических условий эксплуатации, из-за чего они заведомо неэффективны в северных районах РФ, особенно в холодное время года. Не уделено достаточного внимания применению установок регазификации с вторичными теплоносителями.

Недостаточно освещены вопросы:

- влияния режимных параметров (температурных уровней, давления, схем
ных решений и др.) регазификационных установок на их энергоэффективность;

- влияния свойств вторичных теплоносителей на энергоэффективность
установок регазификации;

- эксплуатации установок, использующих вторичные теплоносители и вторичную тепловую энергию.

Используется ряд технологических схем регазификации, которые обеспечивают частичный возврат энергии, затраченной на ожижение криопродукта. Доступная научная информация о данных решениях не позволяет сделать обоснованный выбор вариантов энергоэффективных методов регазификации криопро-дуктов. Актуальна разработка методики энергетического анализа схем регазифи-кации криопродуктов, которая позволит повысить уровень энергоэффективности новых установок регазификации криопродуктов за счёт возврата в оборот части энергии, затраченной на ожижение.

Цели и задачи исследований

Цель диссертации – повышение энергоэффективности установок регазифи-кации криопродуктов за счет отказа от дополнительных затрат энергии на испарение и выработки дополнительной электроэнергии и продуктов.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. На основе обзора технической литературы классифицировать способы и схемы регазификации криопродуктов, провести энергетический анализ наиболее перспективных технических решений.

2. Разработать математические модели известных установок регазифи-кации для компьютерного моделирования процессов.

3. Исследовать в режиме численного эксперимента влияние схемных решений, режимных параметров и свойств рабочих тел на энергетическую эффективность установок регазификации на основе эксергетического метода.

4. Разработать технические решения, реализующие обоснованный результатами анализа энергоэффективности способ регазификации с генерацией электроэнергии.

5. Оптимизировать эксплуатационные, энергетические и экономические характеристики регазификационной установки.

6. Выполнить анализ влияния свойств рабочих веществ и режимных параметров установок регазификации на интегральные показатели их энергоэффективности.

Научная новизна работы

7. Разработана методика анализа характеристик энергоэффективности способов регазификации жидких криопродуктов.

8. Сформулированы требования к теплофизическим и эксплуатационным свойствам рабочих веществ для установок регазификации с промежуточным теплоносителем.

9. Предложена схема новой энергоэффективной установки регазифика-ции СПГ с генерацией электроэнергии.

10. Определены критерии для выбора оптимального способа регазифика-ции СПГ в зависимости от условий применения.

Теоретическая и практическая значимость

Проанализированы существующие и перспективные технологии регазифи-кации СПГ. Разработаны математические модели регазификационных установок,

предложена методика эксергетического анализа установок регазификации, позволяющая выполнить отбор наиболее перспективных технологических решений.

Положения, выносимые на защиту

11. Математические модели установок регазификации.

12. Методика анализа энергоэффективности установок регазификации.

13. Научное обоснование технического исполнения системы регазифика-ции с генерацией электроэнергии, позволяющей модернизировать существующие установки.

14. Требования к физическим и эксплуатационным свойствам вторичных теплоносителей установок регазификации.

Апробация работы

Материалы диссертации и основные результаты исследования опубликованы в 7 статьях, в т.ч. 3 из них в изданиях, рецензируемых ВАК МОиН РФ, и 2 тезисах докладов научно-технических конференций. Результаты работы доложены на 8 научно-технических конференциях, а также положены в основу полученного патента на полезную модель

Внедрение результатов работы

Результаты исследования были использованы в ООО «Газстрой» при разработке проектной документации системы регазификации СПГ с генерацией электроэнергии, защищенной патентом №151882.

Структура и объем работы

Схемы регазификации жидкого криопродукта с утилизацией теплоотводящей способности

Фактически, способы утилизации теплоотводящей способности регазифицируемого криопродукта можно разделить на две группы: включающие систему регазификации в системы охлаждения различных устройств и систем, либо использующие для выработки дополнительных продуктов (электроэнергии или жидких криопродуктов). Деление условное, так как включение в систему охлаждения чего-либо не исключает получения основного продукта на объекте охлаждения.

Примером использования в составе систем охлаждения является модель криогенного газификатора 66965 [38]. Данная модель включает теплообменник-испаритель (5) в контур охлаждения автомобильного двигателя, питаемого природным газом (см. Приложение А. Схемы установок регазификации, Рисунок А. 4).

Также существует значительное число технологий использования теплоотводящей способности регазифицируемого криопродукта для получения дополнительных продуктов. Среди российских разработок следует выделить систему газоснабжения (модель 68073) [39]. Данный патент посвящен схеме реализации системы газоснабжения (см. Приложение А. Схемы установок регазификации, Рисунок А. 5), при которой детандерные генераторы (15, 17, 23, 42) вырабатывают при сбросе давления газа перед выработкой потребителю электроэнергию. Энергия используется как на многочисленных входящих в схему газокомпрессорных (ГКС), газораспределительных станциях (ГРС) и пунктах (ГРП), так и на установках электролиза воды, вырабатывающих водород.

В данной установке не происходит регазификации криопродукта, но она крайне показательна, т.к. в ней используется энергия, вырабатываемая при расширении газа в детандерах при сбросе его давления при передаче газа через промежуточные станции от пласта к потребителю. Энергия используется как для обеспечения работы ГРП, ГРС и т.п., так и для выработки дополнительного продукта - водорода, за счет питания электролизеров.

Среди зарубежных разработок можно также выделить установку, описанную в патенте CA2208818(A1) [40], в которой жидкий криопродукт газифицируется, охлаждая криоэлектронные блоки (в частности – термоэлектрические батареи) (см. Приложение А. Схемы установок регазификации, Рисунок А. 6).

Данная система является решением проблемы охлаждения термоэлектрических модулей, но обладает рядом недостатков: работа термоэлектрических модулей требует не только охлаждения соответствующего блока контактов, но и нагрева блока теплых контактов. Таким образом, данная система не может быть реализована с достаточным энергетическим выходом в отсутствии источника отбросной тепловой энергии. Кроме того, тепловыделение модулей относительно невелико, так что данная система вряд ли может быть использована для газификации значительных объемов продукта.

Также широко распространено использование теплоотводящей способности регазифицируемого криопродукта в установках газоразделения. Примером может служить способ разделения воздуха, описанный в патенте РФ 2460952 [41], в котором теплоотводящая способность криопродукта используется для дополнительного охлаждения поступающего на разделение воздуха и конденсации отбросного азота.

Данная система демонстрирует способ разделения воздуха, использующий теплоотводящую способность регазифицируемого криопродукта (СПГ) для конденсации отбросного азота, с последующим дросселированием ожиженного азота и использованием образовавшихся паров для охлаждения воздуха, подаваемого в колонну на разделение (см. Приложение А. Схемы установок регазификации, Рисунок А. 9).

Данному направлению посвящен ряд работ и патентов. В числе таких технологий многие принадлежат зарубежным компаниям, особенно среди технологий по совмещению регазификации и фракционирования природного газа. Ниже приводятся описания некоторых из них.

Один из предложенных способов [42] совмещает регазификацию СПГ с фракционированием. На представленной схеме (см. Приложение А. Схемы установок регазификации, Рисунок А. 8) тепло потоку СПГ (поток 1) передается в 2 ступени. Первая ступень нагрева и испарения СПГ (52) передает теплоту от конденсатора отпарного газа колонны-деметанизатора (66) за счет циркуляции теплоносителя, нагнетаемого насосом (53). Вторая ступень нагрева и испарения (54) использует теплоноситель для охлаждения воздуха, подаваемого в газотурбинный генератор электроэнергии (58-59) и подогрева испарителя куба колонны (66).

Предложенная схема включает в себя лишь одну ступень фракционирования (выделение фракции С2+). Существуют технологии, включающие 2 и более ступеней фракционирования.

Другой способ регазификации с фракционированием [43] (см. Приложение А. Схемы установок регазификации, Рисунок А. 9) является одной из ранних технологий совмещения регазификации и фракционирования СПГ. Способ позволяет использовать регазифицируемый СПГ в качестве источника холодопроизводительности для многоступенчатой ректификации СПГ в ряде колонн (дементанизаторе, деэтанизаторе, депропанизаторе и дебутанизаторе) с выделением в них соответственно метана, этана, пропана, бутана и фракции С5+. Полученный парообразный метан подогревается и выдается в трубопроводную сеть потребителю.

Среди недостатков данных способов следует в первую очередь отметить следующие: - привязанность установки регазификации к газоразделительным станциям; - пригодность способов с совмещением с фракционированием только для «жирных» природных газов.

В случае газификации СПГ вблизи заводов газоразделения с его последующим распределением между удаленными потребителями через сеть трубопроводов в значительной степени теряется выгода от транспортировки ПГ в сжиженном виде. Однако, для регазификации топлива или окислителя непосредственно на заводе, его потребляющем и снабженном газоразделительными установками, данный способ является крайне выгодным.

В отдельную группу могут быть выделены системы, использующие теплоотводящую способность для получения электроэнергии с использованием для этого расширительных машин.

Расчет параметров эффективности установки

Для удобства здесь и далее PFD расчетных моделей вынесены в Приложение Б. Расчетные модели и алгоритмы.

PFD расчетной модели системы со змеевиком (см. Приложение Б. Расчетные модели и алгоритмы, Рисунок Б. 1) отражает основные процессы, происходящие в данной установке и ее аппаратах.

Используемое ПО содержит в себе лишь определенный набор модулей для описания оборудования, поэтому процесс подогрева воды и испарения СПГ в ванне разбит на отдельные процессы (теплообмен между горячими выхлопными газами и водой, теплообмен между водой и испаряемым СПГ, сепарация воды и выхлопных газов). Таким образом в PFD для за расчет змеевиковой части установки отвечают следующие объекты: - Сепаратор - осуществляет сепарацию воды и выхлопных газов (на PFD изображен в виде емкости). - Водонагреватель (точка 7 на схеме) - осуществляет смешивание горячих выхлопных газов и рециркулируемой воды. - Змеевик - осуществляет испарение и подогрев СПГ за счет теплоотдачи от горячей воды. - Горелка - осуществляет расчет химических реакций горения топлива в воздухе. В действительности горелка устанавливается над поверхностью воды в емкости и сжигает газ при повышенном давлении за счет подачи в него сжатого воздуха. Выхлопные газы направляются по трубе под поверхность жидкости. Давления должно хватать для того, чтобы позволить выхлопным газам преодолеть гидростатическое давление слоя жидкости (3-5 м). Горелка подает выхлопные газы, нагревающие воду до 60 - 70 C. Нагретая вода контактирует со змеевиком-испарителем.

PFD также включает в себя ряд дополнительного оборудования: - Воздушный компрессор (ВК-1) - осуществляет подачу воздуха бля горелки и обеспечение давления выхлопных газов, достаточного для барботажа. - Нагреватель топливного газа (E-100) Отбираемый газифицированный газ необходимо перед сжиганием дросселировать до низких давлений, а затем подогреть.

Данная модель приближенно рассчитывает сложные гидродинамические и теплообменные процессы в ванне (т.к. не производится оценка и побор ванны и входящих в нее аппаратов). Производится сведение МТБ для оценки операционных параметров и термодинамической эффективности процесса. Данные по основным параметрам (площадь поверхности теплообмена для змеевика, размеры ванны, производительность и мощность воздушного компрессора, тепловая нагрузка нагревателя топливного газа) взяты по данным для реальной установки регазификации СПГ производительностью 169 т/ч.

Все рассматриваемые модели не учитывают энергозатрат на работу насосов, сжимающих СПГ для регазификации - такие насосы подразумеваются в каждом случае. Для всех моделей СПГ подается при температуре -159 С сжатым до 97 бар (и). Насосы оказываются за пределами рассматриваемых систем.

Также везде рассматривался СПГ одного и того же состава: метан 93 %, этан 6.5 %, пропан - 0.5 %.

Расчет параметров эффективности установки Границы процессов, происходящих в системе, задаются двумя процессами: испарением СПГ и сгоранием топливного газа. Эксергия вычисляется по уже упомянутой формуле: (Hi - TftT.Si), где: Hi - энтальпия потока, Si - энтропия потока, Thr- температура теплового резервуара. В случае горения топлива тепловым резервуаром служит окружающая среда (Гос), в случае регазификации СПГ - магистраль продуктового газа (TNG). Входящие потоки - воздух и СПГ, выходящие - регазифицированный ПГ и отбросная вода. Последняя вырабатывается в реакции горения и выделяется из воздуха. Из данной системы не выводятся энергетические потоки, присутствует лишь вход электроэнергии на питание воздушного компрессора. Выхода электроэнергии данная схема не предусматривает. Эксергетический КПД для способа с погружным змеевиком rjex = 0, т.к. весь потенциал регазифицируемого СПГ не используется.

Величина дополнительных затрат энергии (потерь работы) определяется следующим выражением: AW = АЕхв + AExRG + Ein где полезная работа горения топлива складывается из эксергий входящих (воздух и топливный газ) и выходящих (выхлопные газы и вода) из топки печи потоков: АЕхв = (mair(Hair - T0CSair) + mfuel(Hfuel - T0CSfuel)) - (mfiue(Hflue - T0CSflue) + mH20(HH20 - TOCSH20)) Полезная работа регазификации: AExRG = mLNG(HLNG - T0CSLNG) - mNGZ(HNG - T0CSNG) где mNGZ - массовый расход всего потока регазифицированного ПГ до его разделения на топливный и продуктовый потоки. Затраты электроэнергии: Ein = Ecompr + Eheat - затраты на электроподогреватель топливного газа и сжатие воздуха в компрессоре. Величина удельных дополнительных затрат (AWM) рассчитывается как отношение к массе выходящего из аппарата продуктового ПГ. Удельные затраты топлива рассчитываются как отношение теплотворной способности истраченного топлива к массовому расходу продуктов: cur rnfuelHHVfuel mNG где mNG - массовый расход потока продуктового ПГ, а HHVfUel - высшая теплотворная способность продуктового газа. Коэффициент использования энергии (РЕ) - отношение производимой энергии (Eout) в кВтч к высшей теплотворной способности топлива. Данная величина является характеристикой способов генерации или когенерации энергии. Отношение производимой энергии к массе продуктов (РР) позволяет сравнивать между собой способы с производством побочных продуктов (в данном случае, относят к массе ПГ).

Коэффициент использования энергии РЕ = 0, также как и отношение производимой энергии к массе продуктов РР, т.к. электроэнергия в способе не производится.

Величина общей энергетической эффективности (ОЕЕ), которая также может быть названа степенью переработки энергоресурсов, рассчитывается как отношение суммы теплотворной способности продуктового потока и вырабатываемой электроэнергии к теплотворной способности потока СПГ. Данная величина применяется в газонефтяной промышленности, где зачастую и продукты, и сырье являются энергоносителями, а среди продуктов значатся как энергоносители, так и электроэнергия. Однако порой сырье из-за своих свойств (загрязнений и др.) не может быть продано как топливо. В таком случае оценивается отношение суммарного HHV сырья и затрат электроэнергии (Ein) к сумме HHV продуктов и вырабатываемой электроэнергии (Eout). Величина общей энергетической эффективности для данного варианта системы регазификации рассчитывается как отношение высшей теплотворной способности продуктового потока к сумме теплотворной способности потока СПГ и затрат электроэнергии:

Стоимость сырья и продуктов установок регазификации

К числу важных свойств рабочего тела следует отнести его токсичность и озоноразрушающий потенциал (ODP).

Многие из возможных веществ, используемых в качестве хладагента органического цикла Ренкина (прежде всего углеводороды и их галогениды), токсичны, что затрудняет эксплуатацию таких установок. Вещества с большей токсичностью (а также и с большей взрыво/пожароопасностью) требуют более тщательного контроля за герметичностью и искробезопасностью, что повышает в том числе и стоимость оборудования.

Озоноразрушающий потенциал характеризует способность хладагента в случае утечки нанести значительный вред озоновому слою Земли. Обе величины, соответственно, должны поддерживаться на возможно более низком уровне.

Рабочее тело должно также обладать следующими технологическими свойствами: - Термостойкость: температура термического разложения рабочего вещества должна быть выше максимальной для горячих турбинных газов. - Температура конденсации: должна быть ниже, чем у СПГ, иначе компрессор может быть поврежден образованием в нем жидкости. - Химическая инертность по отношению к материалам компрессора, детандера и прочей аппаратуры. - Невысокая пожаро/взрывоопасность. - Нетоксичность и низкий потенциал озонового истощения (ODP) - Стоимость. Данный показатель сильнее всего влияет на экономические показатели, в т.ч. способствует сокращению срока окупаемости установки за счет сокращения эксплуатационных затрат (ОРЕХ). Теплота с высокотемпературного уровня передается рабочему телу цикла выхлопными газами турбины, представляющими собой смесь оксидов азота, диоксида углерода, кислорода и пара. Молекулярная масса данной смеси в наибольшей степени зависит от процентного содержания углекислоты, т.к. среди компонентов углекислота обладает наибольшей массой и наименьшей удельной теплоемкостью.

Турбины, вырабатывающие выхлопные газы с низким содержанием углекислоты, обладают большим потенциалом выработки энергии при прочих равных условиях. В связи с этим иногда осуществляют впрыск высокотемпературного пара противотоком в камеру горения для снижения молекулярной массы смеси продуктов сгорания и повышения ее теплоемкости.

С другой стороны, важную роль играет не только выход энергии с цикла, но и размеры входящих в систему аппаратов и их стоимость. Размеры аппаратов снижаются, если на низком уровне поддерживается значение удельного молярного расхода рабочего тела (отнесенного к вырабатываемой энергии, кмоль/кВт).

Таким образом, подобные системы следует эксплуатировать при низких температурах и высоком давлении, до которого сжимается в насосе рабочее вещество, с использованием рабочего вещества с низкой молекулярной массой. При этом давление также может быть увеличено лишь до определенных пределов, за которыми проигрыш в стоимости оборудования от повышения давления начинает превосходить выигрыш за счет уменьшения его габаритов.

В целом же, повышение давления хладагента в жидком виде является одним из главных преимуществ цикла Ренкина над другими, например, над циклом Брайтона (см. 2.5). Затраты на сжатие, меньшие для жидкости по сравнению с газом, позволяют при таких же затратах энергии сжать рабочее вещество до больших энергий, а значит – получить больший выход энергии при расширении.

Контур установки включает в себя два теплообменника на горячей (холодильник выхлопных газов) и холодной (испаритель СПГ) сторонах. С целью повышения интенсивности теплообмена поток в аппаратах должен быть максимально турбулизованым, что требует достижения при течении высоких значений числа Рейнольдса.

Для обычных кожухотрубных теплообменников высокие значения числа Рейнольдса на трубном потоке не могут быть получены при высокой вязкости и относительно низкой плотности рабочего вещества. Таким образом, кинематическая вязкость может являться критерием для оценки эффективности применения данного рабочего вещества и габаритов теплообменной аппаратуры на нем. Для рабочих веществ с высокой кинематической вязкостью необходимая площадь теплопередачи может быть весьма значительна по сравнению с другими веществами. Кожухотрубные аппараты также нежелательны в силу низких значений коэффициентов теплопередачи на них.

Пластинчатые теплообменники позволяют получить высокие значения чисел Рейнольдса и коэффициентов теплопередачи для вязких рабочих веществ (таких как гелий) за счет того, что эквивалентный диаметр в данном случае может быть значительно увеличен.

Однако применение пластинчатых теплообменников для холодильника выхлопных газов затруднено. Такие теплообменники содержат множество швов, требования по герметичности которых при высоких температурах и их перепадах усложняют монтаж и повышают стоимость теплообменника. Гидравлические потери на таких теплообменниках при высоких значения вязкости могут стать значительными. Решение о целесообразности использования пластинчатых теплообменников следует тщательно взвешивать.

Альтернативой вышеупомянутым кожухотрубным и пластинчатым теплообменным аппаратам могут служить ребристые теплообменные аппараты или аппараты со спиральными пластинами. Спиральные теплообменники на данный момент редко выпускаются с площадью более 200 м2, площадь же секционных с оребренными трубками может быть какой угодно в разумных пределах за счет добавления дополнительных секций.

Итак, пластинчатые и ребристые аппараты с оребренными трубками рекомендуется рассматривать в качестве наиболее предпочтительных для создания теплообменных аппаратов установок регазификации СПГ с циклом Брайтона и утилизацией выхлопных газов турбины.

Анализ особенностей применения способов с циклами Брайтона и Ренкина для задач модернизации СПХР

Все перечисленные выше аппроксимирующие зависимости могут быть использованы для оценки стоимости основного оборудования трех наиболее перспективных способов регазификации: с циклом Ренкина, с циклом Брайтона и с ВРУ. Стоимость приобретения основного оборудования для способа IRP оценивалась по данным описывавшей этот способ статьи, а стоимость необходимой для работы способа электростанции комбинированного цикла - по усредненным данным для аналогичных электростанций.

Ниже по тексту приводятся результаты расчетов стоимости приобретения основного оборудования трех способов: 1. Способ с газотурбинным генератором и органическим циклом Ренкина (ORC) 2. Способ с газотурбинным генератором и замкнутым циклом Брайтона (СВС) 3. Способ с ВРУ, газотурбинным генератором и органическим циклом Ренкина (ASU) Данные способы рассматриваются по описанной методике, т.к. у них достаточно высокие показатели эксергетической эффективности (30-50%). При этом внедрение этих способов требует дополнительного оборудования. Оценка стоимости этого оборудования проводилась по приведенным выше эмпирическим формулам. Для каждого способа составлялся список основной аппаратуры, затем аппаратура сортировалась по типу и для каждой единицы рассчитывалась стоимость приобретения. Затем для каждого способа рассчитывались суммарные затраты на приобретение основного оборудования.

Полученные величины сравнивались со способом со змеевиком (см. 2.2), как с базовым и наиболее дешевым, а также со способом IRP (см. 2.7), который, судя по литературным данным [79], является наиболее дорогим. Эти два способа задают нижнюю и верхнюю границы по стоимости приобретения соответственно. Расчет стоимости оборудования для них производится следующим образом: - Стоимость способа SCV (со змеевиком) оценивается на основании данных о существующих аппаратах на уровне 2 млн. $ по ценам 2005 г. В эту сумму входит стоимость воздуходувки, змеевика из нержавеющей стали, ванны змеевика и пр. - Стоимость приобретения оборудования для способа IRP оценена по данным статьи [79] как цена оборудования регазификационной и фракционирующей секций установки - 25 млн. $ по ценам 2005 г. и в дополнение к этому - капитальные затраты на электростанцию комбинированного цикла, входящую в установку IRP. По данным [98] капитальные затраты на обычную газотурбинную электростанцию могут быть оценены по вырабатываемой электрической мощности как 713 $/кВтч по ценам 2005 г.

Мощность электростанции, описанной в статье установки IRP, составляет 583 МВт, т.ч. стоимость такой электростанции может быть оценена в 415.9 млн. $. Если использовать методику, описанную в главе 3.3, и принять = 3.3 (т.к. основное оборудование электростанции - теплообменники и емкости), то стоимость приобретения оборудования газотурбинной электростанции комбинированного цикла мощностью 583 МВт составит примерно 71,075 млн. $. Полная стоимость приобретения оборудования для способа IRP, складывающаяся из затрат на приобретение ректификационного оборудования и оборудования электростанции, составит 96,075 млн. $ по ценам 2005 г

Все способы обладают различными производительностями и производят различные побочные продукты. Поэтому рассчитанные величины затрат на оборудование следует отнести к годовой валовой прибыли (GP) - разнице между доходом от сбыта и затратами на производство. Данные по значениям GP даны в главе 3.2.

Приложение В. Результаты расчета капитальных и операционных затрат включает результаты расчетов стоимости оборудования для различных способов (см. Таблица В. 8… Таблица В. 15). Ниже приводятся результаты расчетов для различных способов.

Способ регазификации с газотурбинным генератором и органическим циклом Ренкина:

Суммарная стоимость оборудования: $8,338,457 в ценах 2005 г., отношение стоимости оборудования к ожидаемой валовой прибыли: 0.331 $/$ в ценах 2005 г. Способ регазификации с газотурбинным генератором и замкнутым циклом Брайтона: Суммарная стоимость оборудования: $16,403,183 в ценах 2005 г., отношение стоимости оборудования к ожидаемой валовой прибыли: 0.491 $/$ в ценах 2005 г. Способ регазификации с ВРУ, газотурбинным генератором и органическим циклом Ренкина: суммарная стоимость оборудования (без учета стоимости ВРУ): $14,431,899 в ценах 2005 г.

ВРУ является необходимой частью установки, осуществляющей совмещенную с ректификацией регазификацию. Как уже упоминалось в главе 3.3, капитальные затраты на блок ВРУ могут быть рассчитаны как функция затрат на входящее в него оборудование. Данные для такого расчета брались в литературе по аналогичным установкам воздухоразделения.

В рассматриваемой модели ВРУ потребляет 80т/ч по воздуху, стоимость такой ВРУ оценена на уровне 130 млн. $ в ценах 2005 г. Основное оборудование, входящее в состав ВРУ - теплообменники, колонны, воздушные компрессоры, насосы. Большинство этого оборудования изготавливается из нержавеющей стали (304L или 316L) или алюминиевых сплавов. Средний коэффициент FBM для такого оборудования можно принять в пределах 3.3-4.2, было принято значение 3.7.

Другие затраты, такие как суммарный амортизируемый капитал (стоимость подготовки площадки, обслуживания и т.п.), долгосрочные инвестиции (стоимость земли, выплаты за право разработки, стоимость пусконаладочных работ и т.п.) могут быть учтены введением среднего поправочного коэффициента равного 1.7. Затраты на оборудование без учета обвязки в этом случае следующие: Ствм = = 76.5 млн. $ Для оценки стоимости приобретения ВРУ следует разделить стоимость без обвязки на среднее принятое значение коэффициента FBMA. Полученное значение стоимости приобретения блока ВРУ - 21 млн. $ в ценах 2005 г. Суммарная стоимость оборудования установки совмещенной регазификации и ректификации составляет 35,431899 $, или округленно 35,4 млн. $ в ценах 2005 г. Отношение стоимости оборудования к ожидаемой валовой прибыли: 0.19 $/$ в ценах 2005 г. Это значение ниже, чем для других ранее рассмотренных способов (цикла Брайтона или цикла Ренкина).