Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор направлений использования вэр избыточного давления в магистральном транспорте природного газа 9
1.1 Развитие детандерных технологий и их основные конструкции 10
1.2 Исследования в области использования ВЭР избыточного давления газа, поступающего в детандер-генераторный агрегат 25
1.3 Обзор исследований в области технологий использования энергии избыточного давления природного газа для выработки электроэнергии и холода 33
1.4 Современное состояние и практическая реализация метода утилизации избыточного давления природного газа на ГРС 46
Выводы по главе 1 53
ГЛАВА 2 Определение потенциала энергохолодильного комплекса и выбор его параметров 55
2.1 Возможный потенциал энергохолодильного комплекса 55
2.2 Определение типа энергохолодильного комплекса 61
2.3 Рекомендации по выбору вместимости энергохолодильного комплекса 64
2.4 Колебание параметров природного газа на ГРС 78
Выводы по главе 2 82
ГЛАВА 3 Алгоритм расчета энергохолодильного комплекса с применением природного газа 84
3.1 Определение основных размеров 84
3.2 Строительно-изоляционная конструкция 88
3.3 Тепловой расчет
3.4 Выбор и расчет системы охлаждения 107
3.5 Выбор и определение мощности оборудования для аккумулирования холода 114
3.6 Системы энергообеспечения энергохолодильного комплекса по удельному расходу 130
Выводы по главе 3 135
ГЛАВА 4 Выбор и обоснование применения энергохолодильного комплекса 137
4.1 Энергохолодильный комплекс с непосредственным использованием охлажденного газа в качестве хладагента 139
4.2 Энергохолодильный комплекс с промежуточным хладоносителем 145
4.3 Энергохолодильный комплекс с льдогенератором 149
Выводы по главе 4 153
ГЛАВА 5 Комплекс для производства сжиженного природного газа 154
5.1 Развитие технологий сжиженного природного газа, положение в мировой и российской энергетике 154
5.2 Детандерные технологии производства сжиженного природного газа на ГРС 158
5.3 Схема производства сжиженного природного газа на основе турбодетандера на ГРС 165
Выводы по главе 5 169
Основные выводы и рекомендации 171
Список использованной литературы
- Исследования в области использования ВЭР избыточного давления газа, поступающего в детандер-генераторный агрегат
- Определение типа энергохолодильного комплекса
- Выбор и расчет системы охлаждения
- Энергохолодильный комплекс с промежуточным хладоносителем
Исследования в области использования ВЭР избыточного давления газа, поступающего в детандер-генераторный агрегат
Основными элементами турбодетандера служат:
1 Улитка или входной патрубок – выполняется в корпусе, служит для равномерного подвода и распределения газа по каналам к направляющему аппарату.
2 Направляющий аппарат (сопловой) – закрепляется в корпусе, выполняется из сопел, расположенных по окружности, необходим для увеличения скорости потока газа за счет части подведенного к ступени перепада давлений и направляет его под необходимым углом на лопатки рабочего колеса. В кинетическую энергию преобразуется часть внутренней энергии потока сжатого газа при течении в соплах. Происходит увеличение до определенной величины скорости рабочего потока, и обычно она близка к скорости звука, при этом понижается давление и температура газа.
3 Вращающее рабочее колесо с лопатками - закрепляется на валу, используется для преобразования в механическую работу внутренней и кинетической энергии потока. При силовом взаимодействии потока и лопаток вращающегося рабочего колеса скорость потока, давление и температура понижаются благодаря передаче энергии рабочему колесу. Движение потока газа в рабочем колесе показано на рисунке 1.3.
4 Диффузор - необходим для торможения потока, скорость потока понижается до значений в выходящем патрубке и трубопроводе при повышении температура рабочего тела.
5 Уплотнение рабочего колеса и проточной части – позволяет уменьшить или полностью исключить утечки из ступени по зазору между валом и корпусом и перетечки газа мимо рабочего колеса через неплотности рабочего колеса
6 Редуктор - установлен на выходящем валу турбодетандера для передачи мощности на вал генератора, понижает скорость вращения ротора до скорости генератора.
7 Генератор (двигатель - генератор) - установлен для преобразования механической энергии ротора в электрическую, далее происходит передача ее в сеть. РисунокРи1с.32. 3–0 .Д Дввиженииее п потооткокво квр иво аргаебнотач вемра кбочлеемсеко тлуерсеб оТДд етандера
Турбодетандеры классифицируют по следующим признакам [44]: 1 По применяемому начальному давлению на входе рн : - машины низкого давления – рн=0,3-1,5 МПа - среднего - рн=3,0-7,0 МПа; - высокого - рн=10-20 МПа. 2 По характеру происходящего процесса расширения: - активного действия - в сопловом аппарате понижается энтальпия, давление и температура, здесь в процессе расширения газа уменьшаются давление и температура, поток разгоняется до скорости выше скорости звука. В рабочем колесе происходит преобразование в механическую работу только кинетической энергии потока. - реактивного действия - в сопловом аппарате и рабочем колесе происходит понижение энтальпии, давления и температуры. В сопловом аппарате в процессе расширения газа уменьшаются давление и температура, но скорость потока оказывается не выше местной скорости звука, а в рабочем колесе путем силового взаимодействия с лопатками рабочего колеса внутренняя и кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу. 3 По направлению движения газа: - радиальные: центростремительные и центробежные (рисунок 1.4) -движение газа происходит в плоскости, перпендикулярной оси вращения: в центростремительных - движение направлено к оси машины от периферии, в центробежных - к периферии от оси машины; - осевые – газ движется по цилиндрическим поверхностям, расположенным параллельно оси; - радиально - осевые или диагональные – движение потока между осевыми и радиальными происходит по промежуточным поверхностям. Практически не применяются вследствие больших затрат турбодетандеры осевого типа. В основном используются турбодетандеры центростремительного типа, так как происходит понижение энтальпии газа за счет того, что газ движется против действия поля центробежных сил. Для центробежных характерно увеличение энтальпии газа благодаря полю центробежных сил.
Определение типа энергохолодильного комплекса
Регулирование возможно изменением частоты вращения или отключением вентиляторов. Далее газ последовательно проходит все камеры холодильника, где в теплообменниках передает холод воздуху, и поступает в трубопровод подачи потребителям. Температура газа становится допустимой для безопасной эксплуатации технических средств и использования потребителями. Вырабатываемый холод используется максимально при прохождении газа, начиная с камеры, где поддерживается наиболее низкая температура воздуха, до камеры с более высокой температурой. Наличие камер с различной требуемой температурой воздуха в них позволит увеличить ассортимент хранящейся продукции и обеспечит полную загрузку холодильника, а соответственно и более рациональное использование вырабатываемого холода. Конструкцию теплообменников и трубопроводов рекомендуют выполнять без разъемных соединений в пределах холодильных камер и транспортного коридора и этим обеспечить безопасность использования газа в качестве хладагента. Возможные утечки газа в системе контролируются установленными в верхних точках камер датчиками концентрации метана. Для своевременного размораживания теплопередающих поверхностей аппаратов предусмотрен источник горячего воздуха. Поступление газа в теплообменник при его оттаивании прекращается и по трубопроводам подается горячий воздух до тех пор, пока теплообменники не очищаются от намороженного снега. В камерах также предусмотрен сток образующейся воды.
В холодное время года возрастает потребление газа и через детандеры проходит его большее количество, соответственно вырабатывается больше электроэнергии и холода, но потребность в холоде в это время снижается, что приведет к переохлаждению газа, к нарушению параметров газа и технологии. Данную проблему авторы [130] предлагают решить, используя избыток холода на производство водяного льда, который можно частично расходовать, а остаток отправлять в льдохранилище для накопления к теплому времени года.
Аксенов Д.Т., Лашкевич Е.Д., Аксенова Г.П. рекомендуют в качестве льдогенератора использовать усовершенствованный вариант модели для производства гранулированного льда 1969 г. авторства Стефановского В.М, Ерофеева А.В., Щербакова А.З., Стефановской Н.В. [104]. Усовершенствованный льдогенератор содержит: теплоизолированную камеру с установленным в ней каплеобразователем и устройством для разбрызгивания воды, вентилятор, теплообменник и устройство для приема льда в нижней части камеры Теплообменник размещен так, чтобы газ из последней камеры холодильника поступал в него и охлаждал воздух, проходящий через его наружную поверхность. Капли охлажденной воды с температурой 0-2 оС подаются из насадков, попадая во встречный поток холодного воздуха с температурой до -30 оС, поступающего с помощью вентилятора от теплообменника, что будет затормаживать падение капель в камере и увеличивать время пребывания капли в воздухе, достаточного для ее замораживания. В накопитель льда через нижнюю сужающуюся часть камеры падают ледяные шарики. Далее транспортер перемещает лед до места его укладки и хранения [130].
Одним из недостатков предложенных способов использования в качестве хладагента в камерах холодильника природного газа является то, что газ – пожаро- и взрывоопасное вещество и при его применении необходимо учитывать правила и нормы для опасных объектов. Холодильники, в которых может быть использован природный газ, рекомендуется применять для долговременного хранения различных продуктов и для их обслуживания организовать подготовленный для работы на газоопасных объектах персонал. Такие холодильники используются редко, а основную часть составляют холодильники с короткими сроками хранения продукции, где требуется оперативная закладка и изъятие продуктов, согласно условиям их реализации. Тогда холодильные камеры сдаются в аренду пользователям, которым требуется постоянный доступ в любое время, а обслуживание ведется имеющимся персоналом, который не аттестован для работы на опасных объектах. Таким образом, возникает проблема обеспечения безопасности холодильника при использовании в нем холодного природного газа, поступающего от детандер-генераторных агрегатов.
Обеспечить эффективность, экологичность, пожаро- и взрывобезопасность системы использования холодного потока природного газа, образующегося при его расширении в детандерах, предложено с помощью новой технологии, разработанной в 2005 году Аксеновым Д.Т., Лашкевич Е.Д. и Аксеновой Г.П. и описанной в [128]. Суть технологии заключается в использовании промежуточного хладагента, являющегося экологически, пожаро- и взрывобезопасным. Такой жидкий промежуточный хладагент перед поступлением в воздухоохладители камер холодильника проходит через теплообменный аппарат, где охлаждается за счет природного газа, поступающего с низкой температурой от детандеров. На рисунке 1.8 представлена функциональная схема газового энергохолодильного комплекса с использованием промежуточного хладагента [144]. Такая система включает в себя ГРС, энергоблок с детандер-генераторными агрегатами и холодильник с системой холодоснабжения камер.
Выбор и расчет системы охлаждения
При непосредственном способе охлаждения теплота отводится из охлаждаемых помещений с помощью кипящего хладагента. Охлаждающие приборы располагаются непосредственно в помещениях и служат испарителями холодильной установки.
При охлаждении хладоносителем теплота отводится из охлаждаемых помещений с помощью промежуточной среды (хладоносителя), которая передает эту теплоту кипящему хладагенту, находящемуся в испарителе холодильной установки. В камерных приборах охлаждения хладоноситель нагревается за счет отвода теплоты из охлаждаемого помещения.
Применение того или иного способа охлаждения обусловливается его технико-экономическими показателями, а также особенностями, влияющими на технологический процесс.
Воздушную систему охлаждения камер в настоящее время применяют в камерах холодильной обработки продуктов, а также в камерах хранения охлажденного и мороженого упакованного груза. К основным преимуществам воздушного охлаждения относятся: - принудительная циркуляция воздуха, благодаря которой интенсифицируется теплообмен между ним и продуктом; - возможность предварительного охлаждения и осушения наружного воздуха, подаваемого в камеры для вентиляции; - равномерность распределения параметров по всей камере; - улучшенное качество регулирования температуры и влажности в камерах в сравнении с батарейным охлаждением.
С помощью технико-экономического сравнения различных систем охлаждения необходимо проводить выбор того или иного способа охлаждения, с учетом реальных особенностей монтажа и эксплуатации холодильной установки в каждом частном случае. В целом следует отметить имеющуюся в настоящее время тенденцию преимущественного применения систем непосредственного охлаждения, как более экономичных по первоначальным затратам, эксплуатационным расходам и более долговечных по сравнению с системами охлаждения посредством теплоносителей.
От источников до потребителей по трубопроводам транспортируется огромное количество природного газа. Для дальнейшей транспортировки газ сжимается с помощью компрессоров большой мощности, приводимых в действие, в основном, газотурбинными двигателями. Также необходимо поддерживать давление газа по длине газопровода, компенсируя потери давления газа от трения на компрессорных станциях, где используется такое же оборудование. Когда газ достигает области распределения, то давление во много раз превышает необходимое конечному потребителю. Поэтому между трубопроводами транспорта газа и сетью распределения устанавливаются газораспределительные станции (ГРС). В основном в состав ГРС входят дросселирующие устройства и подогреватели газа, необходимые для компенсации температурных потерь в дросселирующих устройствах.
Газораспределительные станции, сооружаемые на конечных пунктах магистральных газопроводов или отходящих от них газопроводах, имеют производительность до 500 тыс. м3/ч.
В процессах сжатия газа потребляется энергия. При сжатии газа до давления в трубопроводе и поддержании его на требуемом уровне при транспортировке затрачивается работа, на которую и потребляется энергия. В результате расширения на ГРС происходит охлаждение газа и энергия затрачивается на восстановление его температуры. На ГРС такое восстановление энергии возможно путем замены дроссельных клапанов детандер-генераторными агрегатами (ДГА), что позволит вырабатывать электричество или производить другую полезную работу.
Снабжение потребителей природным газом при использовании газораспределительной станции (ГРС) также осуществляется при одновременной выработке электроэнергии и холода при редуцировании с использованием включенного параллельно ГРС энергохолодильного комплекса (ЭХК). В составе ЭХК находится детандер-генераторный агрегат (ДГА) и теплообменники. Тогда часть поступающего газа направляют в ЭХК для выработки электроэнергии и холода, а часть - в ГРС. Таким образом, ГРС и ЭХК будут функционировать взаимосвязанно и согласованно как единая газоредуцирующая система с выработкой электроэнергии и холода и выдачей потребителю газа с заданными параметрами [141]. На рисунке 2.3 представлена принципиальная схема энергохолодильного комплекса на базе ДГА, включенных в работу параллельно основной ветви ГРС.
Известны также решения подключения детандер-генераторных агрегатов (ДГА) в газовую систему параллельно, последовательно и комбинированно, образуя энергоблок. Диапазон ДГА по расходу газа в настоящее время составляет от 300 до 130000 м3/ч.
Схема включения, единичная мощность ДГА и их количество определяются индивидуально в каждом проекте в зависимости от параметров и масштабности ГРС по проходу газа, а также от спроса потребителей электроэнергии и холодильных площадей [91].
Энергохолодильный комплекс с промежуточным хладоносителем
Срок службы холодильника и его экономические показатели определяются, в первую очередь, качеством изоляции. Длительная эксплуатация при минимальных эксплуатационных затратах возможна только при верно спроектированной и качественно выполненной изоляции.
Некачественная изоляция может привести к невозможности поддержания требуемых параметров воздушной среды, усушке и порче продуктов, а также к увеличению расхода энергии на производство холода.
В состав теплоизоляционного материала входит каркас твердого вещества и образует оболочку пор, а воздух или другой газ эти поры заполняет. Наличие пор представляет собой характерную особенность теплоизоляционных материалов. В пористых телах передача теплоты в большей степени осуществляется конвекцией. Поэтому менее теплопроводны материалы с мелкими замкнутыми порами, в которых движение газа в порах практически отсутствует. Теплоизоляционные материалы работают в тяжелых метеорологических условиях, подвергаются переменному воздействию влаги и низких температур. Необходимо применять качественные теплоизоляционные материалы, сохраняющие свои свойства длительное время. Они должны иметь определенные свойства [102]. Материалов, в полной степени удовлетворяющих этим требованиям, нет. Поэтому при выборе теплоизоляционного материала следует учитывать реальную возможность получения материала на месте строительства, а также назначение и значимость объекта строительства.
Долговечность тепловой изоляции определяется возможностью защиты от попадания в нее влаги из наружного воздуха в летнее время. Защита тепловой изоляции от увлажнения осуществляется введением в конструкцию достаточно мощного слоя пароизоляции. Для полов, лежащих на грунтах, и для кровель требуется создание еще более мощных гидроизоляционных слоев, препятствующих проникновению в конструкцию капельной влаги (грунтовых вод и атмосферных осадков). Для защиты изоляционного материала от увлажнения в конструкции ограждения предусматривают слой гидро- или пароизоляционного материала, который ставят с теплой стороны теплоизоляционного слоя. Широко применяются битумные мастики, представляющие собой смесь битума с наполнителями, придающими мастикам эластичность (асбест, мелкий или молотый песок, известь и др.).
Битумным материалом с органической основой является рубероид. Рубероид - кровельный картон, пропитанный легкоплавким битумом и с одной или двух сторон покрытый слоем тугоплавкого битума, а рубероид называют покровным рулонным материалом. Толщина рубероида 1,5 мм. К изолируемым поверхностям теплоизоляционные материалы и пароизоляционные материалы приклеиваются расплавленной горячей битумной мастикой.
Изоляционные конструкции ограждений холодильников представляют собой многослойную систему, состоящую из строительных, теплоизоляционных, пароизоляционных и отделочных материалов. Гидро- и теплоизоляция стен соединяется с изоляцией пола и покрытия для создания непрерывного слоя. Под штукатуркой на высоту 0,7 м от пола устанавливают мелкую металлическую сетку с загибом ее под пол для защиты от грызунов. В теплоизоляцию укладывают противопожарные пояса из негорючего материала для предупреждения распространения огня, разделяя слой изоляции на отдельные отсеки.
Наружные стены холодильника (рисунок 3.1) состоят из наружного защитного слоя, который одновременно может быть несущим, и внутреннего - гидро- и теплоизоляционного. Наружный слой выполняется из кирпича; поскольку наружные стены холодильника самонесущие, толщина кирпичной кладки составляет 380 мм [127]. Слой теплоизоляции выполняется из высокоэффективного теплоизоляционного материала (пенополиуретан). Кирпичные стены, изолируемые на месте строительства, выравнивают нанесением слоя цементной штукатурки, затем стену покрывают непрерывным слоем гидроизоляции толщиной 2,5-3,0 мм, после чего приклеивают битумными мастиками плиты теплоизоляции с перекрытием последующим слоем швов предыдущего. Для противопожарных поясов используют пенобетон, керамзитобетон, асбестоперлит.