Автореферат (Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа)

На правах рукописиСеменов Виктор ЮрьевичРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХМАЛОТОННАЖНЫХ УСТАНОВОК СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗАСпециальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной икриогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспеченияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 2016Работа выполнена в ФГБОУ ВО Московский государственный техническийуниверситет им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)Официальные оппоненты:- доктор технических наукБорзенко Евгений Иванович, профессорСанкт-Петербургского национальногоисследовательского университетаинформационных технологий, механики иоптики,- доктор технических наук, профессорСухих Андрей Анатольевич,заведующий кафедрой теоретических основтеплотехники национальногоисследовательского университета МЭИ,доктор технических наукГречко Александр Георгиевич, главныйтехнолог ПАО «Газпром».Ведущая организация:ООО «Газпром ВНИИГАЗ».Защита состоится «»2017 года вна заседанииДиссертационного совета Д 212.141.16 в Московском ГосударственномТехническом Университете им.

Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва,Лефортовская наб., д. 1, корпус «Энергомашиностроение».С диссертацией до защиты можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.Н.Э. Баумана и на сайте www.bmstu.ruВаши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать поуказанному адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-ая Бауманская, д.5.Автореферат разослан «___» ___________ 201 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцентКолосов М.А.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. В настоящее время все более широкоеприменение находит производство и использование сжиженного природногогаза (СПГ) в малотоннажном масштабе (производительностью менее 10 т/ч).Интерес к этому обусловлен следующими факторами:- необходимостью газоснабжения населенных пунктов и объектовпромышленности, удаленных от магистральных газопроводов, что особенноактуально для периферийных районов РФ;- использованием СПГ в качестве моторного топлива транспортныхсредств;- необходимостью сглаживания пиков потребления газа в периодыповышенного спроса;- возможностью коммерциализации ранее не востребованного газамалодебитных скважин или месторождений природного газа (ПГ) с низкимсодержанием углеводородов (биогаз, шахтный и попутный газ);Цель работы.

– разработка и создание высокоэффективных установоксжижения природного газа на основе развития методов исследованиятермодинамической эффективности, анализа и обобщения результатованалитических и экспериментальных исследований.Основные задачи:Приоритетными задачами исследования являются следующие:1. Классификация и анализ основных термодинамических цикловожижения природного газа, используемых в малотоннажных установках.2. Определение основных характеристик и состава оборудованиямалотоннажных установок сжижения природного газа, используемых вмировой практике.3. Выбор и совершенствование метода исследования термодинамическойэффективности установок сжижения природного газа. Разработка методикианализа термодинамической эффективности.4.

Определение термодинамической эффективности и распределениязатрат энергии в существующих циклах малотоннажного производства СПГ.5. Экспериментальное подтверждение разработанной методики анализатермодинамической эффективности.6. Разработка и исследование криогенератора нового типа – роторноговолнового криогенератора (РВКГ).7. Создание математической модели рабочих процессов РВКГ.8. Экспериментальное исследование рабочих характеристик РВКГ.9. Определение путей совершенствования эффективности РВКГ.10. Разработка и реализация новых высокоэффективных цикловмалотоннажных установок СПГ.Научная новизна и положения, выносимые на защиту:- впервые разработана и экспериментально подтверждена методикаэнтропийно-статистического анализа термодинамической эффективности ираспределения затрат энергии в узлах малотоннажных установок СПГ;1- выполнен анализ распределения энергетических потерь в основныхсуществующих и перспективных технологиях малотоннажного сжижения ПГ.Определено влияние состава исходного газа на термодинамическуюэффективность установок СПГ с дроссельным и дроссельно-эжекторнымциклом Линде-Хэмпсона;- экспериментальным и расчетным путем показано, что с уменьшениемминимальной работы ожижения снижается величина термодинамическойэффективности установок СПГ при принятых среднестатистических значенияхКПД «машинного» оборудования;- разработаны схемы высокоэффективных установок СПГ, новизнакоторых подтверждена патентами РФ;- впервые в мире разработан роторный волновой криогенератор,реализующий принцип волнового энергообмена в области криогенныхтемператур расширяемого газа.

Определены термобарические и расходныехарактеристики РВКГ с энергообменными каналами постоянного сечения;- на основе метода «распада-разрыва» академика РАН С.К. Годуноваразработана математическая модель процесса энергообмена в каналах РВКГучитывающая свойства реального газа (метана). Расчетным путем выявленыосновные процессы и фазы в РВКГ.

Впервые представлена методика расчетарабочих параметров роторного ВКГ основанная на классических уравненияхпроцесса выхлопа;- экспериментально показана возможность улучшения рабочиххарактеристик РВКГ.Практическая значимость работы:1. Создана методика исследования термодинамической эффективностималотоннажных установок сжижения природного газа.

На конкретныхпримерах показаны возможности расчета распределения затрат энергии поузлам установки с целью внесения корректив уже на стадии проектирования;2. Разработана и внедрена оригинальная, защищенная патентами РФ,схема цикла высокого давления с предварительным охлаждением на уровне233 К и дроссель-эжектором;3. Исследовано влияние содержания неконденсирующихся примесей висходном составе природного газа на термодинамическою эффективностьцикла высокого давления с предварительным охлаждением на уровне 233 К.Определён диапазон концентраций азота в исходном газе, при которомпредложенный дроссель-эжекторный цикл высокого давления оказываетсяэффективнее дроссельного;4.

На основании расчетов согласно представленной в работематематической модели разработана конструкция и создан опытный образецРВКГ;5. Для исследования процессов энергообмена в каналах РВКГ разработани создан экспериментальный стенд;6. Экспериментальным путем выявлены направления повышенияэффективности РВКГ: снижение перетечек за счет уменьшения зазоров;2уменьшение торможения потока газа на торце вертикальной стенки каналапутем изменения ее геометрии;7. Экспериментально подтверждена устойчивая работа РВКГ вдвухфазной области ПГ и в условиях загрязненности примесями (вода, масло,тяжелые углеводороды);8.

Разработана оригинальная, защищенная патентом РФ, схема установкисреднего давления, использующей РВКГ в качестве источника холода.Реализация данной схемы позволит уменьшить кап затраты на созданиеожижителя примерно на 20-25 %;9. На основании полученных в работе результатов даны рекомендации посовершенствованию установки сжижения природного газа, работающей поциклу высокого давления с предварительным охлаждением на уровне 203 К.Внедрение результатов работы.Результаты работы внедрены при создании ожижителя природного газапроизводительностью 1 т/ч на АГНКС №1 в п.

Развилка Моск. обл., вустановках сжижения природного газа, серийно выпускаемых ПАО«Криогенмаш» на экспорт, в учебных процессах кафедры «Холодильная икриогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУим. Н.Э. Баумана и кафедры «Низких температур» МЭИ. Создание установкина АГНКС №1 в п. Развилка Моск. обл. позволило после 30 летнего перерывавозобновить производство СПГ в Московском регионе и развиватьинфраструктуру его потребления. Также практическим результатом работыявляется разработка и создание криогенной топливной системы газотурбовозаГТУ-1 с потреблением СПГ 300-2500 кг/ч, находящегося в опытнойэксплуатации на Свердловской железной дороге.Достоверность и обоснованность полученных результатов.Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечиваетсяприменением поверенных средств измерения, апробированных методикизмерения, использованием классических зависимостей, сравнением с даннымидругих исследований, промышленной эксплуатацией разработанных установок.Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались: на VIIмеждународной конференции GASSUF (Москва, 2009 г.), 11-й международнойкриогенной конференции международного института холода IIR (Братислава,Словакия 2010 г.), международной научной конференции «Холодильная икриогенная техника, промышленные газы, системы кондиционирования ижизнеобеспечения» (Москва, 2010 г.), на 3-ей международной конференции«Промышленные газы» (Москва, 2013 г.), на 10-й международной научнопрактической конференции «Криогенные технологии и оборудование.Перспективы развития» (Москва, 2013 г.) и на международных конференциях«Сжиженный природный газ» в рамках ежегодной выставки «Криоген - Экспо.Промышленные газы» (Москва 2012, 2014, 2015 гг.).3Публикации.

Общее количество работ, опубликованных по темедиссертации – 27, в том числе: 14 статей в научных журналах из них 12 вжурналах из перечня ВАК, 8 докладов на международных и российскихконференциях, 5 патентов РФ.Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 323 страницахтекста, содержит 132 рисунка, 38 таблиц и список литературы из 185наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность, обозначена практическаязначимость, сформулированы цель и приоритетные задачи работы.Первая глава носит обзорно-аналитический характер и состоит из трехразделов, в которых рассмотрен современный уровень развития технологиймалотоннажного сжижения природного газа.Первый раздел посвящён установкам, работающим по циклу высокогодавления с предварительным охлаждением.

Проведенный анализ основан наработах И.Л. Ходоркова, А.Л. Довбиша, В.А. Передельского и др. Во второмразделе рассматриваются установки, работающие по циклу среднего давления.В этой части автор опирается на работы Б.Д. Краковского, О.Л. Мишина, И.Ф.Кузьменко и др. Третья часть посвящена установкам, использующимсмешанный хладагент (СХА) в качестве рабочего тела. Здесь пионерскимиявляются работы А.П. Клименко, рассмотрены также работы Боярского М.Ю.,Бродянского В.М. и материалы патентов ведущих зарубежных фирм.